無人機傾斜攝影三維建模研究現狀

羅 鑫，張作淳，王志彪，吳彬暉，伍躍飛，李運豐

（浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018）

1.引言

傾斜攝影三維建模通過從一個垂直、四個傾斜等五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型。

傳統的三維建模大多是人工干涉建立建模，使用Maya、PhotoShop和3dMax等優秀的建模軟件，用遙感影像地形圖和航空測量影像數據或地形圖和人工實地拍攝的照片和測量的長寬高的數據建立模型。雖然這種建模方式做出的模型也能夠用作觀賞和地類規劃，但是制作出的模型精度卻達不到測量級要求，而且制作的模型紋理是后期加工合成的與建筑物實際的紋理存在很大差異使用戶不能直觀感受到實際物體的外觀。同時人工建模所以必須有大量人工處理且制作者要具備很高的建模操作經驗，制作過程也特別長導致模型的時效性很差，使得一些用戶只能放棄對三維模型的需求。

隨著這些年無人機在市場上的保有量越來越高，基于無人機傾斜攝影測量三維建模技術也越發地成熟，這一技術有多視角，高效率，低人力，高質量等特點，可以360°全方位同時觀測測量目標，獲取目標表的體型、坐標、外部紋理、細部要素和色彩光影的變幻等。提高建模效率也是利用傾斜攝影三維建模技術能夠在建模市場站穩腳步的重要手段。使用傳統的人工建模從整體到細節都是親力親為，需要花費大量的時間，使用傾斜攝影三維建模技術后原先動輒一兩年的項目需要時間僅僅是原來的五分之一，而且電腦數量多集群建模完成的話會更快。傾斜攝影測量技術在生活、生產、軍事、農業等領域都發揮出不錯的效用，在城市建設，搶險救災，電力選線等方面卓有成效，它已經成為城市基礎建設地理空間規劃不可或缺的要素。

2.無人機傾斜攝影三維建模研究現狀

無人機是通過無線電傳輸信號進行遠程控制的設備或通過實施使用機載電子計算機的編輯系統控制的無人駕駛飛行器。它可分為兩種類型，固定翼和多轉子。根據其種類和飛行特性[1]，航空攝影測量多用固定翼，傾斜攝影測量多用多旋翼。無人機最早服役于軍隊用來當作打靶的移動目標，后來因為無人機的市場化使得普通人也能夠接觸到所以逐漸轉化為攝影愛好者的拍攝工具和民用遙感飛行。

2.1 國外研究現狀

世界上最早開始研發傾斜攝影測量技術的國家是美國，1990就究出了傾斜攝影測量的應用方法。這個方法后來傳到了世界的多個區域在城市建設和農林業得到廣泛的應用。

徠卡公司作為相機制造業的世界大公司，也是第一批設計生產出傾斜攝影相機平臺ADS40和ADS80是當前傾斜攝影相機平臺的雛形。該平只有三個攝像機位，分別從前后兩個傾斜相機中間一個垂直相機進行拍攝測量[2]，隨著ADS系列相機的問世，徠卡公司又對傾斜攝影相機進行了升級改造生產出了RCD30相機，這款相機相較于ADS系列增加了兩個左右機位能從五個角度拍攝，大大增加了取景效率和數據的全面性。隨著傾斜攝影相機在市場上的需求美國的其他幾家大公司也相繼推出了五鏡頭傾斜攝影相機。如Pictometry相機、Midas相機和魚鷹傾斜相機、這些相機系統均采用五鏡頭滿足了市場對傾斜攝影相機的需求度，能夠采用多種相機進行對比。

在傾斜攝影相機高速發展的同時，自動三維建模軟件也被各大軟件開發公司陸續研發出來。其中我國天下圖首次引進美國的Pictometry攝影測量軟件和以色列的Idan等軟件能夠全自動地處理圖片信息提取圖片要素得到圖片中的地理信息數據，建成的模型在測量和觀看方面都有足夠的潛能。在本次研究中使用的Smart3D軟件就是法國ASRIUM公司研發的軟件。這款軟件能夠用簡單的照片分析出目標的輪廓、大小、顏色、紋理和空間位置等信息通過軟件自動處理這些數據經過復雜的計算和精準的定位功能可以建立一個完美的三維模型，且這個三維模型的格式大眾化，能夠在多個軟件程序上打開進行加工處理，滿足客戶的要求。不僅這款軟件能夠自動建模還有徠卡的LPS、瑞士公司的Pix4D和Skyline公司的PhotoMesh等三維建模等功能的傾斜影像后處理軟件。

2.2 國內研究現狀

我國的測繪行業早在建國后就開始了但是新型的傾斜攝影技術卻在2010年才開始發展，雖然起步較晚但是卻擋不住傾斜攝影測量在中國的發展腳步。

2010年4 月，我國首次引進了美國PICTOMETRY公司的Pictometry的軟件，這次合作彌補了我國傾斜攝影測量技術的空白。雖然有國外公司的傾斜攝影相機可以用但是技術牢牢掌握在外國人手里，這對中國發展傾斜攝影測量帶來了極大的阻力。

2010年10 月，在學術界的劉憲林團隊的不懈努力下，他們終于自主研發了中國第一臺傾斜相機SWDC-5。該相機的研制成功制止了國外的技術圍堵，在中國開設了獨立的傾斜相機研發渠道。隨后，其他公司也相繼開發了自己的TOPDC-5相機、AMC580傾斜攝影測量相機等。

由于傾斜攝影三維建模技術的發展，對模型的精度要求有了更高的要求，所以相關的處理技術和軟件的研究成為熱門。隨著國內市場傾斜攝影相關業務的開拓，2013年8月，泰瑞數創科技有限公司與美國Skyline軟件公司聯合推出Skyline V.6.5系列產品，提出了傾斜攝影測量批量全自動三維建模技術，在城市建設、交通管理、能源利用、國土資源等相關行業得到發展。

3.傾斜攝影三維建模主要內容

3.1 外業像控選點測量

外業像控點的選擇直接關系到模型坐標精度的大小，根據航空攝影測量中關于像控點的選擇和精度的要求和規范。選擇相控點時要選擇一旁有明確標志性建筑物的、在相片中能夠清晰地看到選擇的標志性物體，在沒有標志性物體時應自己用顏色區分明顯的油漆噴涂相控標志物，且標志圖像邊長大小不小于30公分。

3.2 傾斜影像數據獲取

根據三維模型的精度需求，選擇對應的測量儀器和設備進行攝影測量，在獲取影像時要注意天氣的變化和高度的要求。可以采用的攝影儀器有TOPDC-5、MIDAS、魚鷹傾斜相機等多角度拍攝相機。飛機可以選擇多旋翼和固定翼。

3.3 傾斜影像數據預處理

傾斜攝影測量采集到數據后不能直接用于三維建模生產，要對數據進行預處理，處理的主要內容包括照片的篩選、影像去畸變、照片文件夾整理、pso數據信息篩選、相控坐標數據檢查和相機參數預查等。

3.4 內業空三加密

對采集到的航測影像數據和像控點進行聯系，對這些數據進行空中三角測算加密工作生產出模型的點云和結構。

3.5 實景三維模型處理

將POS信息數據與傾斜影像整合成影像參數文件，將相機信息數據整理為相機參數文件；在實景三維模型處理軟件系統中建立工作流，匹配空三連接點，并在人工干預下修正達到標準值，最后開始傾斜實景三維模型處理工作。

3.6 實景三維模型優化

對建成的三維模型成果存在的問題進行優化，如結構變形校正、漂浮物刪除、水面破洞修補、紋理失真等問題。優化的軟件有DP-modole、3dmax、Geomagic等軟件。

4.精度評定

利用建成的三維模型數據和真實的地理位置坐標信息進行比對。得出三維模型和真實地理位置的差距根據測量精度要求進行評判，模型是否能用于測圖和生產要求。

圖1 像控點和影像獲取

圖2 數據預處理和三維模型生產

5.展望

現如今智慧城市和數字地球是測繪發展方向，從城市的建筑設計、公園景觀綠植的規劃、到旅游地點的預覽、三維地圖的發展，三維模型的使用對于人們來說越來越廣泛。傾斜攝影三維模型數據能在城市交通、環境整治、電力和無線通網絡的規劃、城市基礎設施建設規劃管理、棚戶改造和新農村建設、城市垃圾污染分布情況等諸多領域都能起到較大的作用。在其他方面，如地震洪水災害的災后重建、反恐救援、搶險救災、文物保護等多種行業，也能起到很好的效果。