基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的三維城市建模的應(yīng)用

張靜坤 孫亮 聶振剛 李瑩瑩

摘 要：在科技不斷進(jìn)步的背景下，遙感技術(shù)也取得了較大的進(jìn)步，其應(yīng)用也越來越廣泛。其中傾斜攝影測量技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新遙感技術(shù)，該技術(shù)不但能實(shí)現(xiàn)地理信息的全方位呈現(xiàn)，還可以借助定位、全景等一系列手段提高航拍攝影的效率，從而構(gòu)建更加全面逼真的三維圖形。因此，結(jié)合無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維城市建模可以顯著提高城市三維建模的精確度和真實(shí)度，對于城市建模工作來說幫助很大。基于此，文章針對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在三維城市建模中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影測量技術(shù);三維城市建模

我國無人機(jī)領(lǐng)域起步較西方發(fā)達(dá)國家要晚，受技術(shù)所限，發(fā)展也比較緩慢。但隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展和國家政策的大力扶持，無人機(jī)技術(shù)更多應(yīng)用于航測系統(tǒng)，兩者的有機(jī)結(jié)合很大程度上促進(jìn)了雙方的良性發(fā)展。無人機(jī)的遙感拍攝技術(shù)也更多的應(yīng)用于生活中諸多領(lǐng)域。無人機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)可以做到多層次、多維度的掌控航拍手段，也可以利用互聯(lián)網(wǎng)思維，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，對航拍的照片進(jìn)行一系列精準(zhǔn)測算，增強(qiáng)該技術(shù)的能動性和應(yīng)用范圍。近幾年來，無人機(jī)航測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和手段愈發(fā)先進(jìn)和精準(zhǔn)，相較先前的測算手段來說都更加安全、精確、可靠、便捷。而且，無人機(jī)與拍攝設(shè)備的完美兼容也使航測所獲的圖像更加清晰，測算更加方便，應(yīng)用范圍也更為廣泛。另外，對于建筑工程中的測繪工作來說，有了無人機(jī)的幫助可謂事半功倍。以西方發(fā)達(dá)國家為例，傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展十分迅速，短短十幾年就獲得傲人成就。其中成就斐然的有美國Pictometry公司的傾斜攝影測量系統(tǒng)，天寶公司的AOS系統(tǒng)等。中國也緊跟技術(shù)潮流，2010年4月，北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司首次從國外引進(jìn)傾斜攝影測量技術(shù)，標(biāo)志著中國的攝影測量進(jìn)入傾斜攝影測量時(shí)代。如今，國內(nèi)通過傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行的三維建模工程主要是采用國外的StreetFactory或景瞰公司的Smart3DCapture軟件進(jìn)行全自動正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測量，這些技術(shù)能夠全自動化構(gòu)建三維模型，全自動化貼紋理形成最終三維真實(shí)場景，相對于傳統(tǒng)的3dsMax、AutoCAD結(jié)合人工建模，這些傾斜攝影測量的軟件可以大大提高建模效率，減少人工干預(yù)的時(shí)間，傾斜攝影測量技術(shù)還可以以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景。

一、無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)概述

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)包含飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、地面設(shè)備等部分。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)從廣義上來說包括無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)。無人機(jī)技術(shù)指通過自動控制系統(tǒng)可以使無人機(jī)完成預(yù)定操作的技術(shù)，主要分為直升機(jī)、多旋翼、固定翼、復(fù)合翼等類型。無人機(jī)較同類型工具具有顯著的特點(diǎn)，例如，結(jié)構(gòu)簡單、攜帶便捷、適用范圍廣、成本低廉、信息化程度高等等。這種技術(shù)通常應(yīng)用于測繪或者測量國土資源。而傾斜攝影測量技術(shù)就是利用多角度相機(jī)拍攝地面物體的不同角度，所得的圖像有更高的分辨率。與該技術(shù)綁定的三維建模技術(shù)可以模擬人眼觀察到的視覺景象，而GNSS技術(shù)能夠整合三維建模所得信息，錄入城市地理信息系統(tǒng)中，在完善和統(tǒng)一管理城市地理信息的同時(shí)，也提高用戶體驗(yàn)感受、減少成本投入。

二、無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)要點(diǎn)

1、無人機(jī)傾斜影像效果

傾斜攝影測量技術(shù)利用自身搭載的多組高精度傳感器可以從高空展現(xiàn)物體的垂直方向以及四個(gè)傾斜角度的立體圖像，這個(gè)技術(shù)也解決了傳統(tǒng)航拍中拍攝角度單一、易受到外界干擾和有攝影死角等問題，極好的關(guān)注到了物體的側(cè)面紋理等細(xì)節(jié)。本次實(shí)驗(yàn)過程中，因旁向重疊度和航向重疊度高，一個(gè)建筑物容易同時(shí)出現(xiàn)在多張傾斜影像上。圖1為不同方向的影像數(shù)據(jù)

2、無人機(jī)傾斜攝影測量影像采集流程

最具有突出標(biāo)志并被大眾廣泛接受的是北京東方道爾公司和武漢華正公司的后處理技術(shù)，這兩者都以LIDAR數(shù)據(jù)為前提，前者采用半自動人工交互模式，后者則有自動化生產(chǎn)的技術(shù)。一般說來，傾斜攝影測量工程師需要齊備這兩者工具，但作業(yè)和經(jīng)濟(jì)成本的壓力偏高，傾斜攝影測量三維建模就很好的解決了此番問題，但相較于外國的先進(jìn)后期處理技術(shù)來說還有一定距離，具體處理流程如下：

1）前期資料準(zhǔn)備。在測量之前收集需測量關(guān)于測量區(qū)域的資料，盡可能全面深入地了解測區(qū)的相關(guān)事項(xiàng)，為無人機(jī)入場測量做好前期準(zhǔn)備工作。

2）設(shè)置地面控制點(diǎn)。為了確保測量精度滿足要求，需要合理設(shè)置控制點(diǎn)并對控制點(diǎn)進(jìn)行測量，同時(shí)要合理設(shè)計(jì)無人機(jī)航行路線。注意地面控制點(diǎn)要清晰、明顯、分布均勻，不要布置在墻角或者屋頂角等高程變化大的地方，作為城市三維模型的重要組成部分，地表地物也是城市建筑交通的關(guān)鍵信息。可以根據(jù)收集的城市規(guī)劃圖確定控制點(diǎn)，還可以用全站儀或者RTK重新測定控制點(diǎn);此外，可以利用數(shù)碼相機(jī)布設(shè)現(xiàn)場攝影點(diǎn)，拍攝一些地貌地形復(fù)雜區(qū)域的標(biāo)志物，便于后續(xù)進(jìn)行查找比對。

3）影像數(shù)據(jù)的獲取。利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取地面紋理數(shù)據(jù)、地物高程信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在進(jìn)行無人機(jī)航拍測量之前應(yīng)該結(jié)合需要測量的地物合理設(shè)置無人機(jī)航行路線，航行高度、航向和旁向重疊度，然后整合無人機(jī)獲取的航拍影像數(shù)據(jù)，檢查影像的重疊度、變形、定位定姿系統(tǒng)信息與影像對應(yīng)關(guān)系等參數(shù)是否符合要求。如果滿足要求則可以對影響進(jìn)行預(yù)先處理，并將處理后的影像數(shù)據(jù)成果進(jìn)行進(jìn)一步處理，最終獲得需要的數(shù)據(jù)信息。

三、基于無人機(jī)傾斜攝影測量的三維城市建模

1、總體建模思想

第一步，利用無人機(jī)飛控軟件獲得測區(qū)的圖片，再將所得照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，檢查照片并對不同攝像頭得到的影像進(jìn)行分類，分類完畢的五個(gè)方向的影像放在五個(gè)文件夾中;第二步，利用Smart3DCapture對拍攝的圖片進(jìn)行拼接與處理，得到垂直和傾斜影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)成果，用Smart3DCapture生成DSM深度影像。第三步，通過 Smart3DCapture 軟件生成三維模型。

2、建模過程

建模過程囊括初期建模和后期修模。總體模型采用基于Smart3DCapture的自動三維建模軟件建模。后期還涉及主要建筑物的單體化和水面的修補(bǔ)問題，這兩個(gè)問題可以通過使用DPmodeler和杰魔等軟件來解決。在實(shí)際建模時(shí)，還需根據(jù)時(shí)所需類型謹(jǐn)慎測量和采集信息，分類之后一定程度上可以提高建模的工作效率。

綜上所述，在城市三維建模領(lǐng)域，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢，但目前該技術(shù)還有待完善，受到一些問題的影響，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模時(shí)會受到一定的制約，如模型的局部細(xì)節(jié)缺陷影響到城市三維模型的實(shí)際應(yīng)用效果。因此，必須不斷深入研究無人機(jī)傾斜攝影測量的研究，不斷推動該技術(shù)在三維城市建模中的應(yīng)用，以使其更加完善。

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