傾斜攝影測量技術在城市三維建模中的應用

成樞，程旭明，桑澤磊，鄧尚奇

（山東科技大學 測繪與空間信息學院，山東 青島 266650）

0 引言

隨著現代無人機與數字相機技術的融合與發展，無人機攝影測量被廣泛地應用到了國家重點工程建設、自然災害的應急處理、國土監察和智慧城市建設等各個方面。于麗麗針對傳統的三維建模方式所存在的施工周期較長、造價成本較高、精確性差等缺陷，運用無人機傾斜式攝影測量對整個城市進行三維建模，為“智慧城市”建設提供了重要的技術支撐[1]。李興久通過對三維建模的精度進行分析和研究，結果表明，所生產的三維實景模型和空三幾何精度均滿足相關規范要求[2]。嚴孝云利用GPS-RTK進行現場測量，對模型進行幾何精度評定，驗證了傾斜攝影測量技術用于高精度城市三維實景建模的可行性[3]。

1 項目簡介

項目觀測區位于濰坊高新區某棟別墅群，地理位置優越，距離市中心大約20公里。采用的飛行平臺是云影C200型電動垂直起降固定翼無人機系統，其既具有四個螺旋翼起降無人機的電動垂直飛行起降傳動功能，又具備固定翼無人機具有的航行時間長、航行速度快、航行距離遠的優點，同時無需跑道或彈射架，該飛行平臺可以在90km/h的速度下連續航行1.5小時。本次航攝作業區飛行高度設置為128米，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，航線間距36米，拍照間距16米，對測區進行了正射影像采集，并根據航攝作業區情況，在航攝作業區共布設像控點16個，并對每一個像控點進行控制點測量，便于后期刺點時需要。

2 傾斜攝影空三技術

傾斜攝影空三處理流程主要包括以下四個方面，分別是建立影像拓撲關系、影像特征點提取、影像匹配和光束法區域網平差，最后輸出空三結果[4]。

2.1 建立影像拓撲關系

傾斜式攝影測量技術可以拍到五組影像，除了一般的垂直影像外還可以獲取前視、后看、左視及右眼四組影像，除了垂直式的影像外，其它四組都是傾斜式的影像，這樣能很好地避免立面遮擋的問題。同時，攝影測量系統利用動態全球定位系統定位技術精確測定攝站空間位置，利用慣性測量裝置測定攝影瞬間傳感器姿態，通過精確時鐘將兩者結合起來以確定航片的方位，這些可以提供外部方位元素，建立出兩組影像之間的相對位置關系[5]。

2.2 影像特征點提取

由于SIFT算法在傾斜影像特征提取方面具有很好的效果，所以影像特征點提取一般采用SIFT算法。但是在提取之前，算法中還需加入相機畸變參數、影像色差等影響因素，從而能更加有效的提取特征點。

2.3 影像匹配

影像匹配的目的是識別多視角的傾斜影像中同名點的過程。一邊獲得地物的三維特征信息并形成密集匹配點云數據[6]。傾斜影像匹配通常利用基于特征的影像匹配算法，按照影像中需要進行匹配的像點的相對數目，影像匹配可分為稀疏匹配和稠密匹配兩類。

2.4 光束法區域網平差

利用POS數據作為輔助并進行系統平差，以外業航測像控點測量坐標、相片像點坐標、GNSS攝站坐標和慣性測量單元（IMU）姿態角為觀測值，以物點的地面坐標、圖像外部方位等元素以及其他各種系統的誤差修正參數作為待確認的參數，按照像控點坐標、POS系統等所提供的GNSS攝站坐標和慣性測量單元（IMU）姿態角的測量精度，分別給予觀測值不同的權，利用最小二乘平差法來求解地物點的三維坐標和外方位元素的最或然值[7-9]。

3 三維建模與精度分析

3.1 三維建模

本次項目中采用contextcapture軟件對無人機作業區進行三維建模，首先導入無人機作業區的攝影測量所獲得的照片，并在作業區內進行了空三檢查，刺點，區域網內部平差等多個步驟后，對航攝作業區內部進行二次空三測量運算，最終取得該無人機作業區的空三測量成果，如圖1所示。在建模開始之前，必須進行建模參數設置，并在建模時設置坐標系，以及進行地理坐標（大坐標）的像控點刺點工作。在選擇好相對應坐標系，并選擇“規則區域分塊”，設置好分塊大小，每個塊應不大于電腦單個內存條大小，最后設置所需生產模型的范圍。最后以空三成果作為主要數據源生成實景三維模型，選擇模型格式為“OSGB”，質量選擇100%，其他默認即可；選擇模型生成坐標系，和之前坐標系對應一致即可。為能夠實現快速處理該作業區的數據，將航攝作業區分割成多個模型單元進行處理，并進行紋理匹配和影像正射，最終生成該航攝作業區的實景三維模型（見圖2）。

圖1 空三加密成果

圖2 航攝作業區三維模型

3.2 模型精度分析

在航攝作業區選取8個特征點作為檢查點，同時在三維模型上量取相對應點的坐標。通過對比實地測量值和軟件上的真實量測值，獲得了二維平面和高程三個方向上的中誤差，計算三維模型三個方向中誤差的計算公式為：

平面中誤差計算公式為：

式中，為真誤差，n為檢查點的個數。

檢查結果見表1。

由表1可知：x方向的最大誤差由計算的結果可知為2.2cm，中誤差由計算可知為1.2cm；y方向最大誤差由計算的結果可知為1.5cm，中誤差由計算可知為0.9cm；高程最大誤差由計算的結果可知為2.0cm，中誤差由計算可知為1.1cm；平面最大誤差由計算的結果可知為2.7cm，最小誤差為0.4cm，中誤差由計算可知為1.3cm。結果表明，本次三維重建模型精度較高，且符合精度要求。

表1 三維模型檢查點精度統計（單位：cm）

4 結語

本文通過利用傾斜式攝影測量系統對濰坊市某一處別墅群進行了實測并制作出了一個實景三維建模模型，系統地闡述了該項無人機傾斜攝影系統在城市三維建模中應用的具體流程，并將建模結果進行分析比較后發現，無人機傾斜攝影測量能夠有效構建一個實景三維仿真模型并且成圖精度能夠滿足需要。該方法與傳統的測量方法相比，能夠有效提升成圖效率，大大降低勞動成本，提高工作質量。