無人機傾斜攝影在三維城市建模中的應用

文／汪翔宇、黃光輝、廖靜、李洋、李叢天 湖北省鄂東南基礎工程有限公司 湖北黃石 435100

1、常用三維城市建模方法整理

基于現(xiàn)有的應用經(jīng)驗，三維城市建?；顒又械某Ｓ梅椒ㄈ缦拢海?）借助基礎測繪數(shù)據(jù)進行建模，其在應用中會使用DLG 二維矢量數(shù)據(jù)來得到建筑物基礎輪廓，隨后在人機交互作用下得到高精度復雜模型。得到的模型建設精度較高，但前期獲取數(shù)據(jù)時所投入時間成本和經(jīng)濟成本較高，不適用大面積建筑群建模。（2）利用遙感影像進行建模，其在應用中會使用相關算法從影像中提取基礎數(shù)據(jù)，隨后再進行三維模型的構建，在影像采集時多使用無人機傾斜攝影技術來獲取影像數(shù)據(jù)，具有較高的便捷性與高效性。（3）利用三維激光掃描進行建模，借助三維激光掃描儀來整理高精度點云數(shù)據(jù)，按要求對數(shù)據(jù)進行去噪、空間配準、表面重建以及紋理映射等處理后，為建模提供可靠依據(jù)。該建模方法應用成本較高、操作過程復雜、工作總量較大，較難推廣到大規(guī)模三維建?；顒又?。（4）基于過程式進行三維建模，對于所有模型參數(shù)進行整理，利用算法來管控建筑物幾何造型。在具體應用中會應用到人工智能技術、數(shù)學模型來優(yōu)化建模環(huán)境，得到準確可靠三維模型。此類建模方法在應用中具有人工交互較小、建模效率高等特點，在大規(guī)模三維建模活動中具有良好應用價值。

2、無人機傾斜攝影系統(tǒng)組成及應用優(yōu)勢

2.1 工作原理

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)是一種以無人機為飛行平臺，以各類傳感器為主要載荷，能夠獲取遙感影像信息的無人航測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、任務傳感器系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)組成。其中無人機飛行平臺主要包括飛行器平臺、推進系統(tǒng)、飛行控制與導航系統(tǒng)、機載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等；根據(jù)用途和功能不同，常搭載的任務傳感器的系統(tǒng)主要有多視角航空攝影測量儀器、小徑合成孔徑雷達、高光譜成像系統(tǒng)、小型機載雷達、氣象傳感器等；地面保障系統(tǒng)主要包括起降系統(tǒng)地面服務部分、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)地面部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面后勤人員、其他地面輔助設備等。

2.2 應用優(yōu)勢

無人機傾斜攝影系統(tǒng)在應用中，具有以下應用優(yōu)勢：（1）獲取數(shù)據(jù)的精準度更高，在系統(tǒng)應用中會使用到數(shù)碼傳感器、無人機、GPS 系統(tǒng)、高清攝影機等設備，這些系統(tǒng)的優(yōu)化組合，能夠有效提高獲取數(shù)據(jù)精準度。相較于衛(wèi)星影像的分辨率，無人機傾斜攝影技術在應用中的精準度更高，為三維城市建模提供可靠測量數(shù)據(jù)支持。（2）測量過程的靈活性高，無人機作為重要工作載體，可以根據(jù)城市建筑高度動態(tài)調(diào)整無人機飛行高度，以此來保證獲取數(shù)據(jù)的完整性，為三維建模活動的快速進行提供參考。（3）測繪效率較高，三維城市建模活動中需要采集大量基礎數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)測繪技術需花費的時間成本較高。無人機傾斜攝影系統(tǒng)的應用，能夠在短時間內(nèi)完成區(qū)域內(nèi)所需數(shù)據(jù)的測繪，通過影像、照片等途徑得到完整的測繪數(shù)據(jù)，從而縮減了外業(yè)測繪與內(nèi)業(yè)測繪之間的時間間隔，提高所整理測繪數(shù)據(jù)的利用價值。

3、無人機傾斜攝影在三維城市建模中的應用要點

3.1 系統(tǒng)基礎參數(shù)設置

為保證測量活動的有序推進，需做好基礎參數(shù)的合理化設計，總結以往應用經(jīng)驗，實踐中應注意以下幾點：（1）合理規(guī)劃飛行航向，在城市邊界紅線的基礎上擴增10%-15%，無人機飛行航向會沿著城市最長邊進行布置，在減少飛行次數(shù)的同時，能夠減少無人機飛行次數(shù)。（2）無人機上搭載的高清相機數(shù)量為5 個，其中1 個相機傾向為90°，剩余4 個相機的傾角設置為40°，正攝像機的焦距調(diào)整為30-35mm，而傾斜攝像機的焦距調(diào)整為50-55mm，分辨率調(diào)整為0.08m。（3）控制好無人機飛行高度，通常情況下，無人機飛行高度會控制在450m 左右，可根據(jù)地面上建筑物密集度來調(diào)整飛行高度，盡量維持飛行高度統(tǒng)一性，減少后期像素校正時的總工作量。（4）在前期規(guī)劃活動中，航向重合率不能低于80%，旁向重合率不能低于70%。（5）無人機平臺中裝載的傳感器尺寸調(diào)整為5826×3684 個像素，而各個像元尺寸控制在6.32u。（6）基于城市氣候條件、建筑密度來設計無人機飛行速度，一般情況下會將飛行速度控制在6m/s-12m/s，根據(jù)現(xiàn)場實際情況做出調(diào)整，從而得到完整的測量數(shù)據(jù)。

3.2 像片控制測量作業(yè)

為得到準確可靠的測量數(shù)據(jù)，在前期也需要做好像片控制測量作業(yè)。從具體應用情況來看，應重點關注以下幾點：（1）城市建模的工作總量較大，為便于后續(xù)數(shù)據(jù)整理，需根據(jù)前期得到的踏勘數(shù)據(jù)，將待測區(qū)域細分為若干子測量區(qū)域，所有像控點則會布置在區(qū)塊輪廓線外圍，起到定位區(qū)塊邊界線的作用。（2）進行像控點位置的選擇時，需要優(yōu)選通視條件良好、容易進行識別、不會存在爭議的位置，若待測區(qū)塊內(nèi)存在一些地物標志，例如標志建筑、城市LOGO 等，也可以選擇這些位置作為像控點，便于數(shù)據(jù)采集活動的快速進行。（3）對于城市建筑物密集度較高的區(qū)域，在測量時容易出現(xiàn)視線遮擋問題，為得到準確的測量數(shù)據(jù)，可適當增加區(qū)域內(nèi)像控點密度，盡量保證測量數(shù)據(jù)的完整性。后期也會通過GPS 測量和全站儀測量來補測遺漏位置，提高所整理數(shù)據(jù)的完整性。（4）所有像控點的布置位置應遠離交通環(huán)境復雜、高壓線路、臨河（湖）等區(qū)域，降低外部因素帶來的不確定影響。另外，初始像控點在使用前，需要進行坐標校核，得到準確坐標值后再進行應用，為后續(xù)像素調(diào)整、三維建模活動的開展提供可靠支持。

3.3 提取相關點云數(shù)據(jù)

進行三維城市建模時，需要做好點云數(shù)據(jù)的提取工作，為后續(xù)建?；顒拥耐七M提供良好參考。在具體實踐中需要注意以下內(nèi)容：（1）在三維城市建?；顒又校枰淼臄?shù)據(jù)類型包括垂直數(shù)據(jù)和傾斜數(shù)據(jù)，為得到合理的數(shù)據(jù)分析結果，在數(shù)據(jù)分析中會利用多視角聯(lián)合模式對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)連接點數(shù)據(jù)的提取和糾正，得到完整的密集點數(shù)據(jù)。（2）在的點云數(shù)據(jù)的采集與整理活動中，也需要根據(jù)實際建模情況來完成數(shù)據(jù)提取與合并，而且在POS 數(shù)據(jù)處理活動中，也會使用特質(zhì)匹配方法來對數(shù)據(jù)進行綜合整理，保證所有整理數(shù)據(jù)的完整性與精準性。得到的數(shù)據(jù)整理結果，其對外輸出格式需調(diào)整為DSM 格式，便于三維城市建?；顒拥捻樌M行。

3.4 空中三角測量作業(yè)

在三維城市建?；顒又?，3ds Max 屬于常用處理軟件，為便于屬于后續(xù)處理活動的進行，在空三加密環(huán)節(jié)會使用基于 POS 的空中三角測量，暫時不加入外業(yè)控制點。整個環(huán)節(jié)的具體作業(yè)流程如下：（1）對于采集到正向攝影和傾斜攝影數(shù)據(jù)進行相機校驗與改正，得到初始質(zhì)量較高的應用數(shù)據(jù)。（2）正向影像數(shù)據(jù)所得到的POS 數(shù)據(jù)整體精度較低，對其進行空三加密處理時，可以借助Pixel Grid 系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)進行空三加密處理，從而得到精準度較高的外方位元素。（3）基于無人機平臺上相機擺放位置的相對關系，對于航向傾角和旁向傾角進行調(diào)整（調(diào)整幅度為40°），以此來得到相應的外方位元素。（4）傾斜影像的初始POS 數(shù)據(jù)也會直接導入到Pixel Grid 系統(tǒng)中進行空三加密處理，最后也會將正向和傾斜影像數(shù)據(jù)進行聯(lián)合空中三角測量，誤差控制在2/3像素內(nèi)，便于后續(xù)分析活動的順利進行。

3.5 進行三維城市建模

3.5.1 總體建模思想

在三維城市總體建?；顒又?，其總體建模思路如下：（1）將得到的預處理數(shù)據(jù)，直接錄入到3ds Max 軟件中展開進一步處理，前期在空中三角量測作用下，能夠得到更加精準的外方位元素，這些元素也會根據(jù)像控點布置情況提前做好分類，以加快三維城市建?；顒拥拈_展進度。（2）充分利用3ds Max 插件來對數(shù)據(jù)信息進行整合，依托插件中的共線方程和立體量測方法，可以得到雛形三維模型。（3）利用軟件對目標物各面上的紋理信息進行提取，并且在軟件中實現(xiàn)紋理內(nèi)容的自動映射，提高建模結果的逼真度和還原度。（4）對于模型的細節(jié)進行修飾，同時對于各類參數(shù)精準度進行調(diào)整，滿足要求后可對外輸出模型，為后續(xù)其他活動的進行提供良好參考[1]。

3.5.2 具體建模過程

在城市建?；顒又?，所需要搭建的模型包括地面模型和建筑物模型。前者在應用中，會使用數(shù)字高程模型來制作，將前期整理得到的DEM 數(shù)據(jù)，錄入到數(shù)字高程模型中進行處理，經(jīng)過多次疊加后可以得到 DOM 數(shù)據(jù)，并建立相應的地面模型。后者在應用中，則使用3ds Max 軟件來進行處理。在軟件的具體運營中，會基于屋頂特征來對建筑物進行分類（如平屋頂建筑物、坡屋頂建筑物等），依托建筑物特點依次完成建模，提高建模結果的完整性與準確性。在具體的建?；顒又?，也需要注意以下內(nèi)容：（1）做好各類地物要素的整理工作，內(nèi)容包括像控點整理、建筑物精度分析等，同時借助軟件自動提取等高線、高程控制點等參數(shù)，便于建?；顒拥目焖偻七M[2]。（2）對于建筑物密度較高的區(qū)域，初期獲取數(shù)據(jù)的完整性較低，因此也需要在后期使用補測的方式來得到完整和精準測量數(shù)據(jù)，以便后續(xù)活動的有序推進。

3.6 檢查點精度驗證

完成三維城市建模工作后，需要對模型絕對精度進行校核，滿足要求后才可以進行使用。現(xiàn)階段行業(yè)捏還沒有對傾斜攝影測量技術的三維模型精度做出明確規(guī)定，對此，在精度分析活動中，可以基于數(shù)字精度檢測規(guī)范中的高精度檢測要求，來對模檢查點精度進行校核。具體計算中所使用的計算方式如公式（1）、（2）、（3）、（4）所示：

式中，m 為檢查點數(shù)量；LX 為橫坐標中誤差；Ly為縱坐標中誤差；Lz 為高程坐標中誤差；Lxy 為坐標系中誤差；xa為橫坐標檢查點偏差；ya為縱坐標檢查點偏差；za為高程坐標檢查點偏差。將相關數(shù)據(jù)代入后，可以得到相應的中誤差數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)會和標準數(shù)據(jù)進行對比，滿足要求后可進入下一作業(yè)階段。

3.7 模型測量精度驗證

基于以往應用經(jīng)驗可以得知，模型中的構筑物誤差會大于地面誤差。造成此類問題的主要原因如下：傾斜攝影所建的三維模型是由許多點云數(shù)據(jù)組成，這些點云數(shù)據(jù)主要是由不規(guī)則三角網(wǎng)，通過并聯(lián)紋理處理后構成。所建立的三角網(wǎng)精細度容易受到相機分辨率影響，無法直接模擬構筑物直線輪廓，尤其是建筑的拐角，無法通過三角網(wǎng)來獲取精準數(shù)據(jù)，造成量測誤差?；诖耍谀Ｐ土繙y分析活動中，也需要借助軟件來對量測誤差進行修正，并且在前期設置像控點時，也需要根據(jù)地形波動情況、建筑物密度，來調(diào)整像控點密度，以降低所得數(shù)據(jù)誤差，提高三維城市建模結果的可靠性[3]。

3.8 外業(yè)調(diào)繪及補測

除上述提到的應用要點外，在三維城市建模活動中也需要做好外業(yè)調(diào)繪及補測工作，其作用是在發(fā)現(xiàn)構筑物模糊、影像變形等問題時，通過外業(yè)調(diào)繪及補測的方式得到完整和準確的測量數(shù)據(jù)。無人機傾斜攝影技術在使用中可有效減少視野盲區(qū)，但是此技術的應用依舊會受到地形地貌、建筑分布情況等內(nèi)容的影響，導致攝影盲區(qū)問題。基于此，在實際在工作中也需要借助其他測量技術來彌補不足，提高獲取數(shù)據(jù)的完整性與科學性。一般情況下，多使用RTK、全站儀等測量技術進行補測，所得到的測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式后錄入到計算機軟件中展開進一步處理。需要注意的是，補測數(shù)據(jù)需要利用不同編號進行備注，便于數(shù)據(jù)提取和處理活動的高效進行[4]。

4、無人機傾斜攝影技術應用時的注意事項

4.1 明確恰當測量時機

為保證無人機傾斜攝影技術的應用效果，需要在前期明確恰當測量時機，降低外部因素 帶來的負面影響，獲取完整和準確的測量數(shù)據(jù)?；谝酝鶓媒?jīng)驗，實踐中應注意以下幾點：（1）加強城市氣象監(jiān)測工作，結合該地區(qū)的氣候特征，優(yōu)選天氣晴朗、空中無云、地面無風（微風）的天氣作為無人機傾斜攝影測量天氣，如果測量活動中遇到了突發(fā)氣候（如降雨、降雪、降溫、大風等），也需要及時收回無人機，防止出現(xiàn)無人機墜機事故。（2）科學選擇無人機傾斜攝影時間，外部光照強度較大時，會增加曝光率，降低影像信息的完整性；若外部光照強度較小，會降低影像信息的清晰度，增加補測次數(shù)。對此，在晴朗天氣下應在9:00-15:00 這一時間段內(nèi)開展無人機傾斜測量工作，具體是時間會根據(jù)當天氣象波動情況做出調(diào)整，保證獲取影像數(shù)據(jù)的完整性與清晰度。

4.2 加強測繪誤差控制

在無人機傾斜攝影技術應用過程中，受到各類因素影響也會帶來測繪誤差問題，從而影響三維城市建模結果的精準度。在具體地控制活動中也需要注意以下內(nèi)容：（1）加強系統(tǒng)誤差控制，在技術應用前需要對相機焦距、相機傾斜角度、無人機飛行參數(shù)、軟件初始化參數(shù)等內(nèi)容進行控制，并且在設備使用后也需要做好養(yǎng)護工作，更換磨損、損壞零配件，保證設備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)誤差問題。（2）做好偶然誤差控制，包括測量天氣、飛行高度、飛行速度、測量時間段等，盡量減少不確定因素帶來的負面影響，得到準確、完整的測量數(shù)據(jù)。（3）做好像片控制點坐標校核，滿足精度要求后再進行應用，為點云數(shù)據(jù)整理、空三加密處理活動的進行提供良好參考，提高測繪結果的準確性。

4.3 做好數(shù)據(jù)整合存儲

在三維城市建?；顒又?，需要采集數(shù)量眾多、種類繁多的測量數(shù)據(jù)，為提高所整理數(shù)據(jù)的應用價值，需做好數(shù)據(jù)整合與存儲。具體實踐中也需要注意以下幾點：（1）對于已采集數(shù)據(jù)進行分類，根據(jù)目標物類型對采集數(shù)據(jù)進行分類，包括道路數(shù)據(jù)、水域數(shù)據(jù)、建筑物數(shù)據(jù)等，同時會對采集數(shù)據(jù)基礎屬性進行標記，并按照時間線來對數(shù)據(jù)進行排序，為數(shù)據(jù)整理活動的進行提供良好參考。（2）在數(shù)據(jù)整理過程中，也需要做好價值數(shù)據(jù)提取與整合，通常情況下，可以借助大數(shù)據(jù)技術、信息技術來提取價值數(shù)據(jù)，建立單獨數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)也會為城市規(guī)劃活動的進行提供良好參考，同時也可為平臺完善提供良好參考。

4.4 組建專業(yè)測量隊伍

相較于傳統(tǒng)的測量技術，無人機傾斜攝影測量技術在應用中，具有良好的便利性。但是該測量技術在應用中，對相關人員的綜合能力要求較高，測量隊伍成員的綜合能力，也將影響到所得測繪結果的精準度。基于此，在初期組建測量隊伍時，需要做好相關人員綜合能力的考核工作，為提高考核結果科學性，會依托信息技術來建立量化評估體系，評估指標包括專業(yè)能力、工作能力、執(zhí)行能力等，根據(jù)評估結果，篩選綜合能力較強的測量人員來組建專業(yè)測量隊伍。在日常工作中也需要做好能力培訓工作，細化培訓課程中的相關內(nèi)容，同時在培訓活動結束后，會對相關人員學習情況進行考核，得到的考核結果，會作為后續(xù)課程優(yōu)化時的重要參考；另外，考核結果會和個人績效直接關聯(lián)在一起，提高人員對培訓活動的重視度。

結語：

綜上所述，無人機傾斜攝影測量技術在應用中具有測量精度高、工作效率高等優(yōu)勢，目前已經(jīng)在許多領域中得到了推廣。在三維城市建模活動中引入無人機傾斜攝影測量技術，一方面，可以在較短時間內(nèi)得到完整、準確的測量數(shù)據(jù)，加快三維城市建模進度；另一方面，能夠提高三維城市建模精度，促進城市建設活動的有序進行。