無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的研究

倪明

摘 要：無人機傾斜攝影測量技術在多方面已突破了傳統的傾斜攝影測量技術，并不斷在此基礎上創新與發展，通過對被測對象的多方面多角度進行探測并生成三維實景模型進行分析，讓測量結果具備全面性與系統性，對我國各個領域與行業都產生了深遠而深刻的影響且有遠大的發展前景。同時根據采集處理得到的地物信息，經過相關計算機軟件處理，可以快速獲得實物的三維模型，所以將其應用到工程改造和城市規劃建設中具有十分重要的現實意義。基于此，本文就無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模中的相關問題展開了分析探討。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影;三維建模;方法

引言

三維模型的構建是建設“數字城市”的基礎，是城市復雜信息的空間載體，也是三維空間數據的重要技術手段，其三維數據的獲取方式以及模型構建方法直接決定了數字城市建設的進度。傾斜攝影測量技術是攝影測量領域發展的新型技術產物，在飛行器上搭載多臺傳感器對建筑物進行全方位信息采集，能夠完整地反映建筑物的空間信息和紋理信息，快速生成實景三維模型，為攝影測量在城市三維模型的構建提供了新思路。無人機傾斜攝影測量是使用無人機作為影像傳感器的搭載平臺，具有便捷、靈活、快速的優點，是較為理想的搭載平臺，而無人機結合自身二維、三維一體化優勢，通過疊加二維矢量面的方式實現傾斜攝影模型的單體化技術，而將二維矢量面數據與三維場景疊加，可以實現三維模型構建。

一、無人機傾斜攝影測量技術概述

近年來，隨著無人機技術與攝影測量技術的不斷發展，誕生了無人機傾斜攝影測量技術，二者的融合不僅僅擴大了遙感影像數據的應用范圍，同時還解決了傳統測量中只能從正射角度采集數據的弊端，即實現了從一個垂直、四個傾斜五個維度的影像獲取，使得最終實物的影像信息具有更高的分辨率。除此之外，無人機傾斜攝影測量技術所產生的三維模型可以更好地幫助工作人員進行后續規劃和建設工作，同時結合其他工程測量技術，例如GNSS技術，可以全面展現地物的三維信息，實現快速三維建模工作。無人機傾斜攝影測量不僅能夠很好地適應天氣的變化在一些極端氣候的時候進行測量，還能夠在一些較為復雜的地形進行探測。其具有高度的靈活性與機動性，但它在空中停留的時間較短，視野受限，所以只適用于小規模的航攝活動。有人機測量是以載人飛行器為平臺對所研究的區域進行測量和攝影的一種技術，成本昂貴，受限于極端氣候與復雜地形，但其續航時間較長且攝影視野廣闊，適用于大范圍的航拍活動。由此可以看出兩種測量方式優劣互補，兩者結合使用才能更好地發揮航拍的作用。無人機傾斜攝影測量技術借助先進的定位技術與科技支持，真實反映并分析被測對象的狀況，從而構建出三維實景模型以研究被測對象的各種特征與性質，很大程度上可以彌補傳統傾斜攝影測量的不足。而且在實踐測量中選擇無人機傾斜攝影測量技術能夠節省人力財力資源。

相對比傳統的測量技術，無人機傾斜攝影測量技術具有以下幾方面特點：第一，由于可以實現五個維度的信息采集，所以獲取的實物影像和數據信息更加精準，效率也更高;第二，無人機傾斜攝影測量技術的應用可以實現少量的人工干預，大大提升了自動化水平，避免了人工操作處理中存在的誤差問題，有效提升了測繪精準度;第三，無人機傾斜攝影測量技術的投資成本低于其他測量技術，這主要體現在人工費用降低方面，同時縮短了測量周期，使得成本得以降低。

二、基于無人機傾斜攝影的快速三維建模方法

（一）起始數據的處理

起始數據處理是三維建模得以正常有序進行的前提，其主要包括多視影像、POS數據等，具體需要對這些數據成果進行處理和保存，處理工作要確保其航向重疊度在80%以上，旁向重疊度在50%以上。在進行存儲管理時，需根據不同相機的視角進行分類儲存，以便于后續的數據檢索。另外，在數據處理和保存中會由于數據大量累積而出現誤差和失真問題，此時需要加入POS數據和外控點成果對其進行控制。

（二） 空中三角測量

傳統的影像數據處理中應用同名像點自動量測算法，但是對于無人機傾斜攝影測量而言，由于其捕獲的影像數據不單單是正視角度，還包含傾斜角度的影像，所以傳統的算法顯然無法滿足實際需要，此時需要以瞬間POS系統觀測值作為多角度影像數據的初始方位元素，以此為基礎計算各個像元的坐標信息，同時根據影像之間的眾多連接點位，結合外業控制點位，經過區域網平常處理，生成控三報告，最終為指導圖像空間結構布局和三維建模奠定基礎。

（三） 密集點云的生成

所謂密集點云，實際是通過多視影像匹配處理所得到，再經過相應算法構建表面模型DSM，以便于后續的影像生成。在獲取DSM數據后，還需要進行濾波處理，即通過將不同匹配的單元進行融合處理，最終得到統一的DSM。在實際的操作和處理中，存在部分影像數據遮擋或缺失的情況，這會對后續三維建模造成嚴重影響，具體需要人工編輯修正處理和控制，以降低問題出現的概率。根據已有的密集點云，構建不規則三角網，點云重疊信息的多少決定了所構建三角網的復雜程度，重疊度越高，三角網越復雜密集;而地物、地貌的復雜程度越高，三角網的復雜程度也越高。

（四）構建TIN模型

在構建TIN模型前，需要對高密度點云數據進行分割處理，以便于提升模型建立的精準度，后續開展模型建立如下所示：第一，利用同一地物不同角度的影像信息，采用參考影像不固定的匹配策略逐像素匹配;第二，基于多視匹配的冗余信息，避免遮擋對匹配產生的影響，再引入并行算法提高計算效率以快速準確地獲取多視影像上同名點坐標，進而獲取地物的高密度三維點云數據;第三，基于點云構建不同層次細節度下的TIN模型，通過對三角網優化，將內部三角的尺寸調整至與原始影像分辨相匹配的比例，同時通過對連續曲面變化的分析對相對平坦地區的三角網絡進行簡化，降低數據冗余，獲得TIN模型矢量架構。

（五） 自動紋理關聯

紋理關聯是三維重建的最后一個環節，直接決定著三維重建模型的視覺效果，而傾斜攝影測量獲取的影像，在色調、亮度上存在較大差異，城市地物較多，在影像上反映的紋理特征更為復雜，而模型構網后模型數據量大且結構復雜，存在遮擋、碎部細小三角形較多，給紋理重建帶來較大難度，所以在紋理映像時應當遵循“最小成像角”原則選擇最佳紋理影像，利用模型自遮擋監測、模型簡化消除“邊界污跡”、無效三角面元剖分解決局部區域紋理現象。自動紋理映射主要基于瓦片技術，即將整個建模區域分割成若干個一定大小的瓦片，基于集群處理系統的并行處理機制將每個瓦片打包建立成為一個任務自動分配給各計算節點進行模型與紋理影像的配準和紋理貼附，同時為帶紋理的模型建立多細節、多層次的LOD，便于優化相應的文件組織結構，提高模型分層次瀏覽的效率，生成最終的三維場景。

三、結語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術可以為城市規劃和建設提供有效指導，具體通過快速實現三維建模，提供建設和規劃所需的影像數據信息，幫助設計工作人員開展規范設計工作。隨著科學技術水平的不斷提升，未來無人機傾斜攝影測量技術在三維建模方面將有更好的發展前景。

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