城市傾斜攝影模型的建立與質量控制研究

劉德強　韋波　葉茂　韋霄霄

【摘 要】經過幾年的發展，傾斜攝影測量技術在測繪行業及城市規劃行業已經得到較廣泛的應用。該技術具有省時、高效、成本低的特點，因此成為展示三維虛擬空間必不可少的手段。文章以廣西南寧市部分地區作為研究區域，通過對傾斜攝影測量技術的數據采集及模型生產進行試驗，研究出了一套標準化的傾斜攝影建模方法，能夠保證傾斜攝影模型的高精度及高質量。該方法的推廣能夠使傾斜攝影測量技術在實際應用中有高效高質量的產出。

【關鍵詞】無人機;傾斜攝影模型;質量控制

【中圖分類號】P231 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0080-03

0 前言

傳統攝影測量人工三維建模工作量大、耗時長、費用高，不能滿足當代發展需求[1]。在現代技術快速更新換代及城市規劃及其他業務的迫切需求下，傾斜攝影測量技術應運而生，它是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術。應用它能夠快速、高效、精確地進行實景三維建模[2]。但是，現有的模型的建立方式存在模型質量不高、精度不夠等問題。本文探索出了一套完整的精確、快速建立高質量模型的技術體系，從而能夠實現從數據采集到模型的快速生產及質量控制。

1 傾斜攝影測量簡介

量測型傾斜攝影技術是近幾年來測繪領域發展起來的一項新興、熱門技術，一般是以一個飛行平臺作為載體來搭載多臺量測型相機，多臺相機同時工作，這樣就能獲取一個垂直、多個（一般是4個）傾斜等多個不同角度采集的影像（如圖1所示），通過采集的不同角度的影像及POS信息，它同時也融合了正射和傾斜影像，利用已有的傾斜攝影模型生成軟件自動實現建筑物三維傾斜模型的建立，包括側面紋理和貼圖采集及自動生成[3]。

快速構建三維模型的原理是在圖形運算單元（CPU）的基礎上[4]，通過無人機飛行平臺獲得的傾斜影像、照片等數據經過幾何糾正、聯合平差、點云生成、三角網構建、自動賦予紋理等步驟，三維模型建立成功[5-6]。與傳統人工建模對比，傾斜攝影模型具有擬真程度更高（實景）、建設周期更短、費用成本低等顯著特點[7]。

2 研究內容與研究方法

本研究旨在對現代以無人機為飛行平臺的傾斜攝影技術進行探索，以形成一套實用的可控的技術路線來應對日益增長的三維模型建設需求，以期能夠更精確、更直觀地展示城市當前面貌，更準確地與當前測繪數據結合，能夠實際應用到城市規劃及其他領域中。

通過對傾斜攝影技術的研究與探索，經過基于控制變量法的不同條件下的針對性的測試性數據采集，我們對數據采集經驗及流程進行了總結與歸納，特別是在數據采集參數控制及高質量數據生產方面形成自己的技術體系。該技術體系整體分為前期區域資料搜集、任務規劃、布設控制點、航線規劃設計、無人機飛行參數設置、無人機自主可控數據采集、數據整合、數據分析處理、高精度傾斜攝影模型生產等步驟（如圖2所示）。這些步驟的精細操作保證了最終傾斜模型的高質量，為后期數據的應用奠定了良好的基礎。

3 研究區域簡介及飛行平臺選擇

3.1 研究區域簡介

本文實驗區域位于南寧市，南寧市位于廣西壯族自治區南部偏西，是廣西壯族自治區首府及廣西政治、經濟、文化中心，總面積為22 112 km2，其中建成區面積為242 km2。南寧與越南社會主義共和國毗鄰，地處亞熱帶，北回歸線穿域而過，介于東經107°45′～108°51′，北緯22°13′～23°32′之間，地理坐標東經108°22′，北緯22°48′。截至2013年底，南寧市總面積為33 112 km2，土地面積為22 112 km2[7]。

本文選取南寧市兩個地點作為實驗區域，一個是廣西大學片區，廣西大學位于城市中心部分，周邊建筑復雜，有開闊地也有高樓林立。另一個是木村片區，木村位于南寧市江南區江西鎮，距市區18 km，周圍群山環抱，土地廣闊，生態環境優美。它是南寧市少有的古建筑群落，對飛行精度及模型質量要求較高。

3.2 研究區域前期資料收集

前期主要搜集測圖區域的現有地形圖、影像資料、測區范圍等資料，并對搜集到的資料進行核查，評價資料的可信度與可利用度?，F場勘察了解測圖區域內的地物、氣象條件、高程變化、交通情況、測量控制點的位置及保存情況?？碧ず缶帉懠夹g設計書，進行任務規劃。本文搜集到研究區域內近幾年的地形圖、影像資料等，并進行了現場探勘，對比了研究區域現狀與搜集資料之間的異同，確定了資料的可用性及測區范圍，并制訂了詳盡的任務規劃。

3.3 飛行平臺選擇

在對研究區域的研究中，飛行平臺的選擇至關重要。無人機是由無線設備控制操作的不載人飛機，其成本低，空域限制小，能完成載人駕駛飛機不宜執行的多種航拍任務。無人機飛行高度低，攜帶的傾斜攝影傳感器所拍攝出的相片分辨率高，顏色真實，能夠提高所構建模型質量。本文經過相機分辨率、控制距離、飛行高度、飛行時間、懸停精度、飛控系統等方面的比較，最終選擇“大疆”專業級四軸飛行器精靈4pro。

4 傾斜攝影的數據的外業采集

在開始飛行采集數據之前，本研究根據地形圖及現場勘察對搜集的控制點信息進行了校正、替換、補充，確?？刂泣c在影像清晰的明顯地物點上，并且盡量布設在上下兩條航線重疊范圍內，確保布設的控制點能用于多張相片。并在空中三角測量作業區域中間布設檢查點，本研究選擇高程精度和平面精度最弱處進行檢查點布設。總共布設可控制點60個，檢查點90個。拍攝天氣條件為晴朗，可是距離長，風速小，在上午10時到下午15時之間進行拍攝，航向重疊度為70%，旁向重疊度為50%，設計航線共6條。對研究區測區范圍、建筑物高度進行測算后，確定廣西大學區域航行高度為120 m，最高分辨率可達2.5 cm;木村區域為80 m，最高分辨率可達1 cm。航攝完成之后，對區域內樹木與建筑臨近區域及橋梁區域進行地面補拍。飛行完畢后，獲取數據，并對獲取的影像進行質量檢查，對不滿足要求的區域進行補飛，直到獲取的影像質量滿足要求。

5 傾斜攝影模型的內業生產

在航攝過程中，由于拍攝時間及拍攝空間的變化會造成影像之間的色彩偏差，所以需要經過勻光勻色處理才能生成合格的影像。為了保證影像及模型的精度和質量，需要進行幾何校正、同名點匹配、區域網聯合平差，平差后得到含有3個坐標、3個方向角信息的數據，利用該數據對航攝得到的傾斜影像進行處理，確保影像能夠在虛擬三維空間中匹配到精確的位置和姿態，使得影像上的像元能對應實際真實的地理位置，傾斜攝影模型內業生產流程如圖3所示。

本研究采用全自動化的生產方式來生產傾斜攝影模型，利用Bently公司的Context Capture（Smart3D）軟件生產三維模型，應用該軟件生產模型一般需要以下幾個步驟：對POS數據、航攝采集影像、相機文件進行預處理;導入處理合格后的影像進行質量檢查;控制點基準量測;“空三”加密解算;多視角影像密集匹配;三維TIN網格構建;白體三維模型創建;自助紋理映射;三維模型建模。在模型構建過程中在影像的基礎上生成超高密度點云，TIN模型由點云構建生成（如圖4所示）。廣西大學研究區域模型如圖5所示，木村研究區域模型如圖6所示。

6 總結

本文根據對南寧市部分研究區域傾斜攝影三維建模，總結出了一套從傾斜攝影數據采集到傾斜攝影模型生產的技術方法。應用該方法能夠節約傾斜攝影數據采集的時間及精確度，能夠提升生產傾斜攝影模型的質量。該方法能夠形成一個傾斜攝影測量技術的標準，能夠進行推廣以提高業界的傾斜攝影技術應用水平。由于研究區域的局限性及流程檢驗的不充分性，因此本研究所提出的方法還有待繼續試驗改進，為彌補這一不足還需要將該方法應用到更多的模型生產中去。

參 考 文 獻

[1]王建強，鐘春惺，江麗鈞，等.基于多視航空影像的城市三維建模方法[J].測繪科學，2014，39（3）：70-74.

[2]王偉，黃雯雯，鎮姣.Pictometry傾斜攝影技術及其在三維城市建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2013，34（3）：16-19.

[3]田野，向宇，高峰，等.利用Pictometry傾斜攝影技術進行全自動快速三維實景城市生產——以常州市三維實景城市生產為例[J].測繪通報，2013（2）：59-61.

[4]趙雷，包銀麗，袁翔東.基于傾斜攝影測量技術的建筑物空間變化監測探討[J].地礦測繪，2015，31（4）：11-14.

[5]譚金石，黃正忠.基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模及精度評估[J].現代測繪，2015，38（5）：21-24.

[6]張祖勛，張劍清.數字攝影測量學[M].武漢：武漢測繪科技大學出版社，1997.

[7]王之卓.攝影測量原理[M].北京：測繪出版社，1979.