城市三維建模工作中無人機傾斜攝影技術的應用

王明柱

（浙江華東建設工程有限公司，杭州 310010）

1 引言

傾斜攝影技術的功能豐富，可同時滿足定位、圖像和攝像等多重要求，可選擇運動速度較快的固定翼或較為穩定的多旋翼，并搭載攝影設備以及傳感器等，在較短時間內全方位采集地理信息【1】。現階段，無人機傾斜攝影技術的重要性逐步提高，是城市三維建模的關鍵技術。

2 無人機傾斜攝影

2.1 無人機技術

無人機以無線電的遙控作為主要的運動控制裝置，根據需求規劃航線達到特定的高度，通過配套相機等裝置可完成攝影等工作。無人機的組成包含機體、螺旋槳、機翼等，兼具速度快、受限較小、成本低等多重優勢。

2.2 傾斜攝影技術

國際測繪技術逐步發展之下，傾斜攝影技術孕育而生，其突破性意義在于改變了傳統的正面攝影方式，解決了垂直角度拍攝的局限性，適配多個傳感器，通過無人機的運行從多個角度采集信息，從而創建具有三維立體感的圖像。基于傾斜攝影技術的應用，生成的三維立體模型能夠更為全面且直觀地呈現信息，提高了三維視場的可讀性，豐富了地理信息，用戶在此過程中也可獲得更強烈的真實體驗感。

2.3 傾斜攝影測量技術優點

1）無人機具有較強的運行能力，其飛行高度合理，可從多個角度完成相應工作，如拍攝、測量數據信息等。

2）影像間具有緊密的關聯，即相鄰影像存在一定程度的重疊，有助于全面呈現地理信息。有效解決了傳統方式下人為干擾過大的問題，全程均可實現信息的自動化匹配，計算機依據程序高效執行命令。

3）現實模型的信息豐富，紋理清晰可見，在傳統的垂直攝影方式中，只具備獲得物體頂層紋理的能力，而對于側面紋理的展現力度不足，在應用傾斜攝影技術后，可同時呈現多角度的紋理。

4）投入成本少，得益于傾斜攝影技術運行效率較高的特點，采集信息以及建模都可高效完成。

3 無人機傾斜攝影系統

在某城市的三維建模工作中，以無人機為主要動力裝置，搭載市面較為主流的Canon 5D Mark Ⅱ數碼相機，各自從特定的角度獲取影像數據，再利用PixelGrid 展開對影像的聯合空中三角量測，通過此途徑確定各影像所對應的外方位參數，再創建三維模型，用于反映城市的建筑物組成以及空間情況。

3.1 無人機傾斜攝影測量的組成

無人機傾斜攝影測量的實現得益于多個部分的協同作用：飛行系統最為基礎，為無人機的飛行規劃好線路，使其沿著特定的軌跡運行，期間完成拍攝作業；飛行平臺主要用于放置攝影機，使其維持穩定，在快速飛行過程中依然可順利拍攝；地面控制系統主要負責的是數據的接收，如源自無人機的圖片、測區內關鍵的地理信息等；數據輸送系統具有調度的功能，發出指令并促使設備做出特定的行為。

3.2 無人機傾斜攝影測量

做好前期準備工作是順利完成無人機傾斜攝影測量的關鍵【2】，例如，確定各項飛行數據、高度數據、無人機的型號等，在基礎信息以及硬件設備的共同支持下，確保無人機可沿著規劃的軌跡飛行，保證高度的合理性，控制拍攝持續時間。在完成航行任務后，對得到的所有拍攝信息做全面的篩選，以便進入到后續處理環節；若不滿足要求，則必須再次拍攝。

3.3 相關參數

試驗采用了行業內先進的睿鉑DG3 傾斜攝影測量5 鏡頭，5 個鏡頭分別從頂部、前、后、左、右5 個角度進行拍攝，4個傾斜鏡頭均采取45°傾角。無人機搭載了GPS/IMU 設備，其直接與頂部鏡頭對接，獲得飛行過程中曝光點的地理位置與姿態信息。本次傾斜攝影測量的主要參數具體如下：

平均飛行高度220m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，頂部鏡頭焦距28mm，傾斜鏡頭焦距40mm，地面分辨率約為0.03m。

3.4 無人機傾斜影像效果

傳感器是重要的信息檢測裝置，將其安裝在飛行平臺上，分別采取垂直、傾斜的角度布設方式，各自采集影像，可解決傳統方式下拍攝過程中易發生遮擋或是局部難以捕捉到位的問題，在對建筑物的測量中可豐富側面紋理。基于本次攝影測量所采取的參數，建筑物的信息得到全方位的展現，將出現在70 多張傾斜影像上，因此影像信息更為全面。

4 基于傾斜攝影和3Ds Max 的三維建模

4.1 建模思想

以傾斜攝影為基礎，再輔以建模軟件，依據特定的技術線路（見圖1）有序推進各項工作。首先，以得到的影像為基礎，對其進行空中三角量測，除此之外，還可得到準確的外方位元素；其次，在上一環節所得數據的基礎上創建三維模型，即三維重建；隨后，以得到的模型為依據，對每個面做針對性分析，明確其最佳紋理信息，在此基礎上執行紋理自動映射；經過上述流程后，將模型輸出。

圖1 三維城市建模技術路線圖

4.2 建模過程

建模的工作內容主要有2 類：一是地面建模，其以數字高程模型DEM 為基礎，共同組成TIN，隨后再進一步疊加DOM生成；二是以半自動三維建模平臺為主要工具，將建筑物屋頂結構分類，得到簡單型和復雜型2 種形式的建筑。主要以屋頂形態為劃分依據，前者包含平屋頂建筑物、圓柱形建筑物等；后者較為特殊，指的是基于簡單結構量測建模方法而難以創建完整模型的各類建筑物，其結構組成普遍復雜，且不具備明確的規律。為提高建模效率，需以構建模型的類型為基本參考，從而開展針對性的采集工作。

4.3 三維建模

傾斜攝影測量是順利創建三維模型的必要前提，其對于模型精度、造型等均會帶來較明顯的影響。在經過無人機傾斜攝影后，將生成一套較為完整的原始地理數據信息，但拍攝環境復雜，易受到光線、風力等多重因素的干擾，導致原始資料存在部分缺陷，如過曝或欠曝等。對此，需對照片進行糾正、勻色等，保證三維立體模型的真實性、可靠性。

5 無人機傾斜攝影技術應用效果

不同于傳統方式，基于無人機傾斜攝影技術的應用，可從二維轉向三維，通過虛擬的方式更為精準地呈現現實狀況，為城市管理工作提供了重要支持。

我國GIS 技術已經較為成熟，可提供實時的多維動態表現功能，城市建筑的基礎信息能夠得到深度整合并投射到系統中，彰顯出其專項功能的特質。

三維GIS 技術得到廣泛應用，在較大程度上提高了城市運行信息的處理水平，三維城市模型的成型能夠豐富信息面，其不再局限于常規的編排信息層面。更為重要的是將信息以巧妙的方式融入三維建設中，為城市智能化發展戰略提供了重要支持，成為國土資源管理、道路車流管理等相關工作的基石【3】，為人們的日常工作乃至生活都提供了便捷化的條件。尤其是在重大的事項中，其高效的優勢更得到充分的彰顯，如業務的審批流程加快，辦事效率提高。

正是因為傾斜攝影技術具備較強的地理信息展現能力，因此，人們在此方面的探索腳步從未停止，促使該技術的應用范圍逐步擴寬、適用能力持續提升。

6 結語

社會和科技均呈現出日新月異的發展特點，城市三維建模成為多數城市發展進程中的重要工作，國內外城市在此方面的資金、技術投入不斷增加。基于無人機傾斜攝影技術的應用，可解決傳統建模方式可靠性不足的問題，但在實際應用中依然有局限之處，值得相關人員在此方面做更深入的探討。在后續的工作中，相關工作人員要把控好總體發展方向，加強對細節的處理，以用戶的需求為導向，為日常生產、生活提供便捷的條件，助力于國家公共事業的發展。