無人機傾斜攝影測量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

范印 李梁 高磊 張克

摘 要：實景真三維模型作為搭建城市智慧化管理平臺的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，在城市規(guī)劃、智慧旅游、智慧公安等方面起著非常重要的作用。無人機傾斜攝影測量這一新型測繪技術(shù)能夠自動化、智能化構(gòu)建實景真三維模型，建模效率高、模型精細逼真，助力智慧城市建設(shè)。文章介紹了無人機傾斜攝影測量技術(shù)原理，并結(jié)合實際工程案例，探討具體建模流程，分析測繪成果精度，得到真實可靠的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量;實景三維模型;智慧城市

0 引言

近年來，智慧城市建設(shè)實踐，已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和實業(yè)界所廣泛關(guān)注的熱點。我國也掀起了智慧城市的建設(shè)浪潮，而與智慧城市建設(shè)密切相關(guān)的城市測量技術(shù)也引發(fā)了全社會的討論[1]。三維城市模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)是智慧城市建設(shè)的一項基礎(chǔ)內(nèi)容，是建設(shè)城市三維地理信息平臺的重要組成部分。本文將以無人機傾斜攝影測量實景真三維建模技術(shù)為主要研究對象，分析該技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用。

1 傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)通常包括區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、密集匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等。

1.1 區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差

無人機傾斜攝影空中三角測量系統(tǒng)需要使用多幅影像聯(lián)合平差處理方法來處理傾斜影像。在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差過程中，需要注意：（1）結(jié)合多視影像外方位元素（線元素和角元素）、利用金字塔影像匹配策略，在不同分辨率層級影像上進行同名點匹配和聯(lián)合空中三角測量，得到較好的同名點匹配結(jié)果。（2）將連接點，控制點坐標，照片位置和姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)，與誤差方程進行聯(lián)合平差解算，以獲取高精度的空三結(jié)果。

1.2 密集匹配

隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，多基元影像密集匹配，已經(jīng)成為數(shù)字攝影測量領(lǐng)域的新興研究方向。目前，該技術(shù)已經(jīng)可以自動識別與提取建筑物立面特征，對墻面分類、掃描和分割，重構(gòu)建筑物的立面結(jié)構(gòu)，直接提取建筑高度和外部輪廓信息。

1.3? DSM生成

如何在傾斜攝影測量技術(shù)基礎(chǔ)上自動獲取數(shù)字表面模型存在新的技術(shù)難點。針對這些問題，根據(jù)傳感器獲取到的影像外方位元素數(shù)據(jù)，分析與選擇合適的影像匹配單元進行最小二乘影像匹配和逐像素級的高精度密集匹配，引入計算機并行算法，提高計算效率。在獲取高密度點云數(shù)據(jù)后，進行濾波抽稀處理，融合不同匹配單元，形成統(tǒng)一的數(shù)字表面模型DSM。

1.4 真正射影像糾正

利用生成的數(shù)字表模型DSM，使用聯(lián)合平差以及密集匹配算法，建立物方與像方特征點一一對應(yīng)的關(guān)系，在影像糾正過程中考慮到幾何輻射等系統(tǒng)誤差的干擾，進行聯(lián)合平差改正，最后獲得真正射影像。

1.5 三維建模

無人機獲取地物傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)建模軟件，可以構(gòu)建實景三維模型，模型成產(chǎn)過程采取自動化、集群化作業(yè)方式，效率高、模型精度高、成本低。多視影像數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正和聯(lián)合平差處理，生成高密度點云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型，經(jīng)過紋理映射，最后得到高分辨率的實景三維模型，模型達到測繪級精度。

2 ? 應(yīng)用案例

本工程以昆明市中心城區(qū)為試驗區(qū)域，測區(qū)面積為? ? ? ?120 km2，介紹三維數(shù)字建模的基本流程。

2.1? 數(shù)據(jù)采集

在航飛前根據(jù)測區(qū)特征進行航線規(guī)劃和像控布設(shè)。本項目測區(qū)的飛行航線和像控點布設(shè)方案，共布設(shè)57個像控點，飛行時設(shè)置航高設(shè)置為250 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，采集垂直影像14萬張，傾斜影像56萬張。

2.2? 三維建模

依據(jù)無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)獲取的有效原始影像和 POS 數(shù)據(jù)，制作城市實景真三維模型流程如下：（1）將獲取到的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點坐標數(shù)據(jù)導(dǎo)入CONTEXT CAPTURE建模軟件，進行自動空中三角測量。（2）結(jié)合空三加密解算出來的影像外方位元素（線元素和角元素），運用多視影像密集匹配算法解算，生產(chǎn)出由高密度點云構(gòu)成的具有真實地理景觀的數(shù)字表面模型。（3）根據(jù)離散點云數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點（各三角形的頂點）連接成相互連續(xù)的三角面，在連接時盡可能地使每個三角形為銳角三角形或三邊的長度近似相等，將區(qū)域劃分為相連的角面網(wǎng)格，構(gòu)建出不規(guī)則三角網(wǎng)。（4）不規(guī)則三角網(wǎng)模型經(jīng)過紋理映射，附上地物應(yīng)有紋理顏色，就得到具有真實景觀的三維數(shù)字城市模型，如圖1所示。（5）城市三維模型力求精細化，對生產(chǎn)出的模型要進行修飾。（6）檢查并驗收模型成果，符合要求后方可提交。

2.3? 模型精度檢核

三維模型質(zhì)量直接影響著智慧城市的建設(shè)，而模型的精度是評定模型質(zhì)量非常關(guān)鍵的指標之一。三維模型的精度分析主要包括平面位置精度和高度精度的評定[2]。模型的精度和模型生產(chǎn)效率對地理信息系統(tǒng)的實用性和建設(shè)程度影響很大，同時，也為城市規(guī)劃和合理建設(shè)提供重要保障。因此，對模型精度進行評定分析具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。測區(qū)共選擇20個檢查點，其精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

研究區(qū)域模型的精度統(tǒng)計結(jié)果：X方向中誤差為0.020 1 m，誤差絕對值最大為0.07;Y方向中誤差為? 0.019 3 m，誤差絕對值最大為0.08;高程坐標中誤差為? 0.016 5 m，誤差絕對值最大為 0.04 m。

從以上計算得到的精度值不難分析出，無人機傾斜攝影三維建模的模型精度分布比較均衡[3-4]，而且生產(chǎn)的模型完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》。

3 結(jié)語

本文通過對無人機傾斜攝影測量技術(shù)在云南省昆明市智慧城市三維建模項目中的應(yīng)用研究，得出如下結(jié)論：（1）無人機傾斜攝影測量技術(shù)通過高效率的實景三維建模，能夠還原真實城市和周邊地物地貌，很大程度上提高了城市測繪工作的效率。（2）在實景三維模型上均勻抽取了20個檢查點，實景模型上檢查點的三維坐標與實測坐標值進行比較，計算得到檢查點的平面位置和高程中誤差：mx=2.01 cm;my=1.93 cm;mz=1.65 cm，模型精度滿足智慧城市建設(shè)項目要求。

[參考文獻]

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[2]趙福超.無人機傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)村房地一體測繪中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2020（24）：252-253.

[3]姚艷麗.基于集群技術(shù)的實景三維建模研究[J].路基工程，2020（6）：123-127.

[4]孫亮，夏永華.基于無人機傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖的可行性研究[J].價值工程，2017（8）：209-212.

（編輯 姚 鑫）