智慧城市建設中無人機傾斜攝影測量技術的應用探究

張濤濤

（合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230001）

0 引言

智慧城市目前已經成為國內外學術界以及相關行業重點研究的一個重點話題。智慧城市在我國正處在快速發展階段，在建設智慧城市過程中，三維模型數據的生產屬于非常重要的環節，同時也是構建城市三維地理信息平臺的重要支撐。而智慧城市三維實景模型的構建過程中，傳統航測技術通常情況下是利用兩張影像進行重疊后來產生立體圖像，這種技術在詳細描述地面建筑輪廓和紋理信息方面具有極大的局限性，航空傾斜攝影測量技術則可以有效解決這些問題。

1 數據采集及處理分析

1.1 傾斜攝影影像數據采集

根據航空傾斜攝影的相關質量以及參數要求，在針對地面建筑物進行拍攝過程中，航空飛行器應該盡可能采集更多的建筑實體側面紋理信息。而對于建筑物的三維坐標，可以在精確提取航空拍攝建筑物紋理信息后，全面綜合建筑物方位坐標、影像內外方位元素，并通過共線方程投影影像后獲取[1]。

1.2 航空傾斜攝影影像處理

1.2.1 歸納數據資料

在獲取影像資料后首先需要進行全面整理、歸納，在整理歸納過程中對影像資料是否完整、數據是否可靠進行檢查，與此同時嚴格按照前視、后視、左視、右視、下視的方法進行分類存放，最后對完成所有文件拷貝時間進行嚴格檢查[2]。另外還需要整理飛行器在航拍過程中的飛行姿態信息，將飛行器的坐標信息文件利

圖1為傾斜攝影測量影像處理的基本流程。在傾斜攝影測量數據處理過程中的一個難點問題就是如何構建傾斜三維模型。用特定軟件打開后，以xyz格式經過轉換后最終輸出txt文件，此后對作業區范圍內的有效點進行展點選取之后，將其對應到相應視影像中的位置中，最后將轉角信息進行合并后制作成EO文件[3]。

圖1 傾斜攝影測量影像處理基本流程

1.2.2 處理影像資料

2 傾斜攝影三維建模分析

2.1 三維建模方法

三維建模是建立在空三加密數據基礎之上，在獲取影像拍攝數據信息后利用計算機軟件對其進行空三加密處理以及影像匹配，在此基礎上就可以獲得三維白模建設、紋理映射，最終就可以獲取精密的三維模型。

2.2 三維建模基本流程

利用無人機傾斜攝影測量系統對整個測量區域進行空三加密后就可以得到整個區域的大量數據信息，隨后針對測量區域的數據密集程度，利用切塊分割方法進行分割，在此基礎上就可以構建起不規則三角網TIN數據，最終完成三維白模的構建。

在全面綜合測量區域的平面矢量圖、傾斜攝影正攝影像以及建筑頂端矢量圖等相關數據之后構建白模。針對整個模型各個細部結構，可以通過拍攝獲取的紋理信息進行分析，并在白模上貼上完成處理后的攝影紋理。利用精準定位信息所獲取的坐標數據并結合紋理映射就可以自動、快速的在對應三維模型上貼上影像紋理，這樣就可以形成建立在影像紋理基礎之上的傾斜攝影三維模型，而且該三維模型具有較高分辨率[4]。

獲取三維模型后將其中需要進行后續編輯的模塊篩選出來，并充分利用計算機軟件進行逐步修補，在修復過程中需要根據“修補—質量控制—再生產模式”的方法進行多次處理，在此基礎上就能夠獲取滿足需求的三維成果數據。

3 無人機傾斜攝影技術實際應用分析

3.1 測量區基本概況

本文主要以河北省廊坊市燕郊鎮為例，探討無人機傾斜攝影測量技術在智慧城市建設過程中的應用，燕郊鎮作為國家級高新技術開發區一直以來在我國的智慧城市、智慧管網建設過程中處于領先位置，為了保障在燕郊智慧城市的建設過程中能夠具備更加可靠、真實的數據支撐，下文將重點針對燕郊鎮智慧城市建設過程中無人機傾斜測量技術的應用可行性進行探討。

3.2 基本技術路線及測量流程

3.2.1 技術路線

在對燕郊鎮進行傾斜攝影測量的過程中，整個測量系統主要由飛行平臺、控制系統、地面監控、保障輔助設備、數據傳輸等相關部件共同組成。飛行平臺在測量過程中主要完成攝影任務設備的搭載，同時在搭載設備過程中要能滿足航空攝影飛行的基本要求；控制系統在攝影測量過程中可以實現對無人機平臺自主飛行的控制，同時還可以完成無人機平臺的導航及定位等相關任務；地面監控則主要是獲取無人機平臺在航空測量飛行過程中的空速、飛行高度、飛行方向、飛行姿態、航向、飛行軌跡等相關數據，并進行數據采集、存儲、顯示和回放。飛行測量過程中的任務設備主要指的是傾斜攝影相機，傾斜攝影相機在測量作業過程中主要完成航空攝影影像的獲取和存儲；數據傳輸系統主要是完成飛行控制系統、地面監控系統以及其他無人機搭載設備之間的數據傳輸以及控制指令傳輸。此外，要配備一定的地面保障設備來為無人機作業的安全性和有效性提供保障。

3.2.2 測量流程

在測量作業過程中需要針對測量區的高程數據、行政區數據、遙感影像數據進行全面收集和分析，在此基礎上來選擇更加適用的無人機系統，與此同時完成無人機飛行路線和航高的確定，此外航空攝影作業之前還需要選擇合理的氣候環境。在實施航空攝影作業的過程中，要嚴格按照航空攝影既定路線和時間實施全面實地勘察，在完成勘察后要對無人機的起降點進行明確，隨后才可以執行飛行攝影作業。在無人機飛行過程中必須要保障對無人機進行良好控制，完成飛行攝影之后要及時對獲取數據進行整理和檢查，篩選出其中不符合要求的數據類型，根據數據來實施補飛或重新飛行。

3.3 構建三維模型

3.3.1 數據獲取和處理

智慧城市實景三維模型的構建需要以無人航測攝影過程中所獲取的有效原始影像以及POS數據作為基礎。利用先進GPS導航定位系統以及相機陀螺平臺來完成無人機姿態的保持，無人機飛行過程中利用Aero－Topll系統和AeroNav軟件完成導航。同時配合地面GPS基站，就能夠保障飛機GPS與地面基站聯測過程中獲得較高質量的GPS觀測數據，在此基礎上可以為后續GPS數據處理進度提供保障[5]。表1為模型的精度統計。

表1 模型精度統計

由于當前無人機傾斜攝影測量過程中多數情況下采取的都是多視角影視匹配技術，因此采集影像收集過程中必須保障航向重疊度和旁向重疊度相對較大，這樣才能為構建三維模型提供便利。航空攝影飛行過程中需要對飛行質量進行嚴格控制，航向重疊度以及旁向重疊度需要分別保持在70%和60%，與此同時要嚴格將航向彎曲度、旋偏角、傾斜角度等控制在1.5°以下，邊界覆蓋率也要達到100%，測量方法如下。

（1）在獲取數據之后，首先需要對原始影像的飽和度、亮度、色相等進行全面檢查，在此基礎上完成對原始數據的預處理。

（2）針對POS系統可以利用CORS站或者校驗場進行反復校驗，并進一步簡算POS數據，進而可以針對每一張航空照片獲取其相應的外方位元素。

（3）隨后進行空中三角測量，在作業過程中需要對相控點數據、POS數據以及影像數據進行綜合，將控制點進行加密處理后最終可以獲取相對比較精確的外方位元素；空三加密的最終目的是要保障獲取每張影像的外方位元素，這也是構建三維模型、獲取DSM非常重要的一個環節。因此對影像數據進行處理的過程中，必須要嚴格控制空三加密精度。本次測繪工程實測數據的處理利用Pix4Dmapper軟件來完成空三加密，根據測量項目的測繪要求，要充分保障各測點誤差不能超過3個像素，與此同時也要將定向點的誤差控制在0.3m的范圍內，檢查點誤差也要嚴格控制在0.5m的范圍內。將加密精度要求和加密進度結果進行詳細對比，同時對實測數據空三加密處理過程進行綜合，這樣就可以判斷出空三加密處理結果是否能達到精度要求。

（4）以傾斜影像以及垂直影像數據為基礎，再結合空中三角測量數據的最終加密處理成果后，利用影像密集匹配技術就可以獲得最終DSM數據。

3.3.2 構建三維模型

（1）在獲取DSM數據之后可以結合經過預處理以及增強處理的影像數據來完成紋理映射，同時在實景DSM數據表面來完成具有像素級分辨率紋理的映射，隨后就可以利用計算機軟件來自動生成具備初級全要素的城市三維模型。

（2）模型數據仍然需要進行進一步修正和補漏，這樣才能真正保障城市實景三維模型的精細化。

（3）完成模型構建后要進行詳細檢查和驗收，保障其符合測量要求后才能進行提交。

4 結語

與傳統航空攝影測量相比較，無人機傾斜攝影測量技術不僅能夠提供精度更高的攝影影像，還可以通過高性能計算機軟件獲得更加真實化、精細化的三維模型，具有速度快、精度高、整體效果好、成果類型豐富等優點。因此在智慧城市的建設過程中完全可以利用無人機傾斜攝影測量技術來完成實景真三維模型的構建。另外可以充分借助可視化技術、三維仿真技術、GIS技術等，結合三維模型與地下管線實際狀況，構建起具備地下管線三維空間展示、查詢、漫游等相關功能的系統，這樣在智慧城市建設過程中就具備了充足的數據支撐。