傾斜攝影測量在三維建模中的應用探討

王勝軍，張 強，趙明嶺，隋建春，高明友

（1.濟南市土地征收和綜合整治服務中心，山東 濟南 250099；2.濟南市城鄉建設發展服務中心消防驗收服務部，山東 濟南 250099；3.濟南市濟陽區自然資源局，山東 濟南 251400；4.杭州今奧信息科技股份有限公司濟南分公司，山東 濟南 250101；5.濟南市土地儲備中心，山東 濟南 250099）

近年來，隨著智能制造與人工智能技術的不斷進步，國內以大疆無人機為代表的無人機產業得到了快速發展，并在國土資源管理、房產稅收、人口統計、數字城市、城市管理、應急指揮、災害評估和環保監測等領域被廣泛應用。無人機控制技術、數碼航攝技術及影像處理技術的不斷成熟，有效克服了傳統攝影測量的技術困難，成功解決了傳統測繪勞動強度大、成本高的問題，無人機航測系統成為繼全站儀、RTK（實時動態定位）后新一代的測繪技術裝備。基于無人機航測及傾斜攝影技術生產的4D 產品[1]和實景三維模型[2]已被廣泛應用于國民經濟建設的各個領域。本文結合無人機的特點，探討無人機傾斜攝影測量在三維建模中的應用。

1 無人機傾斜攝影測量原理

無人機傾斜攝影測量系統主要包括飛行平臺、飛行控制系統、傳感器、高分辨相機、測控系統等，以影像數據為基礎，通過對像點的選取和采集，形成定位數據和定位信息，實現影像的自動匹配[3]。在無人機傾斜攝影測量過程中，首先要根據實際工作的需要選擇合適的無人機種類及多鏡頭數碼相機，合理進行無人機攝影路線規劃設計，航測前做好無人機調試和現場勘查；其次在航測過程中，選擇合理的攝影相關參數[4]，從前、后、左、右和正射5 個方向采集影像數據[5]，獲取建筑紋理，導入三維建模軟件，創建傾斜攝影三維模型。實景三維模型模型建設如圖1 所示。

2 無人機傾斜攝影硬件選擇

決定傾斜攝影三維模型質量的因素主要有2 個：影像地面分辨率和影像清晰度、對同一區域的照片覆蓋度。從實際建模效果來看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測的三維模型，建筑區傾斜影像的分辨率要達到2～3 cm，一般地區要達到5～6 cm，相片的平均覆蓋度要達到40%重疊以上[6]。

圖1 實景三維模型模型建設

2.1 飛行設備選擇

目前，市場上無人機的種類繁多，按照動力系統可以區分為內燃機動力和電池動力，從飛行實現方式上可以區分為固定翼和旋翼（單旋翼、多旋翼）。由于飛行平臺自身的振動問題，在成像質量上電池動力優于內燃機動力；在作業效率和續航時間上，固定翼優于旋翼；在飛行穩定性上，旋翼優于固定翼。由于無人機用途不同，其性能標準也不一樣。測繪型無人機對飛行標準要求更高，可以在載重、巡航速度、實用升限、續航時間、安全性和抗風等級等方面作出限定。本文結合國內無人機特點，在傾斜攝影測量中選擇以下方案[7]。無人機選擇如表1 所示。

表1 無人機選擇

2.2 傾斜攝影測量相機選擇要求

在CH/Z 3005—2010 《低空數字航空攝影規范》中，對測繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角作出了規定，要求傾角不大于5°，最大不超過12°，旋轉角要控制在15°范圍內，最大不超過30°。現有的航測軟件處理能力已經有了很大提升，可以在這個標準的基礎上，把傾角15°以上的都劃歸到傾斜攝影的范疇。傾斜攝影發展到今天，傾斜相機不再限定相機鏡頭的數量。傾斜相機的關鍵技術指標是獲取不同角度影像的能力和單架次作業的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機及可以調整相機拍攝角度的單相機系統。在無人機航測標準中，要求航測相機像素不低于3 500 萬，在傾斜攝影中可以不對單一相機的像素進行限定，而對一次曝光獲取的影像像素進行控制。傾斜相機的性能要求可以從獲取影像能力、作業時間、曝光功能、續航時間、POS 記錄功能等方面作出限定，表現在以下幾個方面：①傾斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，單個鏡頭不低2 000 萬像素，一次曝光不低于1 億像素；②作業時間至少能達到90 min，最好具備全天候的作業能力；③選擇定焦鏡頭，具有定點曝光功能，且對焦無限遠，確保影像重疊度滿足要求[7]。

3 飛行前準備

3.1 飛行前檢查

為更好地實施航空攝影，無人機在進行航測飛行前，必須將前期所有準備工作做好[8]，在飛行前應全面了解測區基本地形地貌，現場踏勘、核實測區是否處于禁飛或限飛區，是否有超過航高的建（構）筑物或者低于航高10 m 范圍內的高大金屬構筑物，例如高壓線塔、信號塔、作業塔吊等，防止出現飛行盲區。像控點是保證航測精度的重要標識物，要詳細檢查像控點、檢核點是否被破壞、遮擋，檢查像控點布設是否合理。每次航飛前要確保無人機和遙控器電池電量滿足飛行要求，檢查無人機組件是否牢固，檢查相機鏡頭是否同步，檢查遙控器與無人機連接是否正常。只有做好航測前的基本準備工作，才能確保飛行質量和效率。

3.2 航線規劃設計

無人機傾斜攝影時，需要目標區域邊緣地物能出現在像片的任何位置，與測區中心地區的特征點觀測量一樣，要充分考慮到測區的高差等情況，具體可以按照公式（1）來計算航線外擴的距離：

式（1）中：L 為外擴距離；H1為相對航高；θ為相機傾斜角；H2為攝影基準面高度；H3為測區邊緣最低點高度；L1為半個像幅對應的水平距離。

3.3 合理區域規劃

由于測區地貌差別巨大，需要根據測區不同合理制定航測規劃方案。平地、丘陵地和山地分區內的高差不應大于1/4 相對航高；高山地分區內的高差不應大于1/3 相對航高，山區宜按照地勢劃分任務區，劃分時同一個任務區內的地勢高差不宜超過30 m。在地形高差符合規定地條件下，分區的跨度應盡量劃大，且完整覆蓋攝區。同時合理確定禁飛區、限飛區和大片無特征點（如湖面、海面等）的區域，并將以上區域扣除。對城鎮密集區按照主要的街道進行任務區域劃分，飛行區域要連片成矩形，相鄰任務區之間符合測區覆蓋設計要求，計算重疊率。

4 設置合理的飛行參數

4.1 飛行及存儲要求

飛行任務根據網格狀劃分的任務區域去飛行，一個任務區盡量不要超過20 000 張照片，各任務區的飛行高度、速度、重疊率等參數要一致。

4.2 航攝高度設置

首先根據所需傾斜攝影測量的區域精度要求確定地面分辨率，并結合測區地形進而確定行高，飛機會根據實地地形自動調整飛行高度，如1∶500 比例尺可以設定地面分辨率為3～5 cm[8]，在地籍傾斜攝影中可以設置為1.5 cm[9]。無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設計的基礎，航攝高度需要根據任務要求選擇合適的地面分辨率，然后結合傾斜相機的性能，具體可以按公式（2）計算[10]：

式（2）中：H 為航攝高度，m；f 為鏡頭焦距，mm；GSD 為地面分辨率，m；α為像元尺寸，mm。

4.3 航攝重疊度設置

無人機傾斜攝影時，不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是66.7%。可以區分為建筑稀少區域和建筑密集區域2 種情況。建筑稀少區域考慮到無人機航攝時的俯仰、側傾影響，無人機傾斜攝影測量作業時在無高層建筑、地形地物高差比較小的測區，航向、旁向重疊度建議最低不小于70%[10]。要獲得某區域完整的影像信息，無人機必須從該區域上空飛過。以兩棟建筑之間的區域為例，如果這兩棟建筑由于高度對這個區域能形成完全遮擋，而飛機沒有飛到該區域上空，那么無論增加多少相機都不可能拍到被遮區域，從而造成建筑模型幾何結構的粘連。建筑密集區域的建筑遮擋問題非常嚴重。航線重疊度設計不足、航攝時沒有從相關建筑上空飛過，都會造成建筑模型幾何結構的粘連。為提高建筑密集區域影像采集質量，影像重疊度最多可設計為80%～90%[10]。當高層建筑的高度大于航攝高度的1/4 時，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測的方法進行解決。

5 傾斜攝影數據采集

5.1 外業航飛

選擇在無風晴朗的好天氣進行航飛，最終獲取到多張傾斜影像，影像層次更豐富，色彩更鮮艷，顏色飽和反差適中，更有利于后期三維模型制作[11]。

5.2 像控點測量

根據任務范圍和地形合理布設像控點，像控標志應選擇較為尖銳、識別度高、反射光的程度好、與周邊地物色差大的標志物。除了道路已有交通標志線角點和明顯清晰線性地物交點，盡量選用如圖2 所示的3類標志類型，利用GPS-RTK 采集像控點坐標值，在不同時段采集3 次，取其平均值，且3 次采集坐標值要求誤差在2 cm 范圍內[9]。

圖2 像控點

5.3 數據預處理

預處理主要包括檢查航拍相片的質量，是否存在漏拍、嚴重色差、云霧遮擋、不合理曝光等情況[12]。按照分型任務和鏡頭位置將相片進行整理，多架次采集的同一任務區、同一鏡頭的項目按照時間順序進行排列，放在同一文件夾下。照片匯集完成后要將其中的空片、飛片刪除，同時要做好POS 數據的整理，檢查POS 數據數量是否與照片數量完全一致；檢查POS數據序號名稱是否與照片名稱完全一致；將多架次采集的同一任務區的POS 數據按照時間順序整理到同一文件，為后期數據處理做好基礎工作。

5.4 空中三角測量

攝影測量空三加密是根據若干分布于測區內的控制點，運用立體測圖技術，計算得到匹配加密點的高程和平面位置[13]。空三計算是由系統自動完成，采用光束法區域網整體平差方法進行，即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，將整體區域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系。

5.5 模型創建

建模軟件選取行業主流軟件Bently 公司的Context Capture（Smart3D），Smart3D 傾斜攝影測量三維建模的基本原理是利用空三加密計算出連接點，以連接點為基礎構建不規則三角網TIN 進而生成三維框模，然后利用軟件在三維框模中輸入航攝影像資料，由軟件完成自動影像，進而輸出完整的被測場景三維模型[14]。利用Smart3D 軟件，對無人機傾斜攝影獲取的基礎數據，結合野外實測的控制點測量成果進行區域網聯合平差，實現多視影像匹配，生成數字地表模型DSM，經紋理映射形成基于實景影像紋理的非單體化模型，即三角網模型成果。海量數據加載技術指的是傾斜攝影模型數據量往往非常龐大，可以充分利用三維超算中心平臺自動化建模、三維合成AI 云算合成、正射影像AI 云算合成、DEM AI 云算合成、仿正射拼接Al云算，實現三維云算中心海量高效高質量大數據超算服務，讓專業海量數據處理工作由人工智能大數據云算技術來完成，讓三維數據生產更快更簡單。

5.6 紋理貼圖

在完成多視角影像空中三角測量處理后就具備了三維實景建模的基礎，在點云密集匹配過程中，紋理提取是按照單模型點云提取的方式進行[15]。基于單體化三維建筑模型的結構與空間特征，區分不同類型面元并對面元分類重組，提取紋理繪制基元，作為自動紋理映射的基本處理單元[16]，最終將各個單體構成的區塊紋理融合在一起，提高了模型分層瀏覽的效率和三維實景建模的質量。無人機傾斜攝影獲取的數字三維模型紋理為地物的真實紋理，但是由于鏡頭反光、地物陰影、大面積相似紋理、分辨率變化異常等問題，可能會導致三維模型局部掛花。為了解決以上問題，需要重新獲取初始目標紋理貼圖，將三維模型面片的頂點投影至所述初始目標紋理貼圖中，得到初始目標紋理貼圖坐標，根據初始目標紋理貼圖坐標，計算所述初始目標紋理貼圖中每個面片內像素的重心坐標，所述初始目標紋理貼圖內像素填充為0；根據所述初始目標紋理貼圖到原始紋理貼圖的映射關系，從原始紋理貼圖中拾取顏色放入初始目標紋理貼圖中，從而解決三維建筑模型表面紋理映射中存在的紋理遮擋、模糊等問題，獲得更精細的紋理映射效果，最終輸出高精度數字三維傾斜攝影模型。

6 三維實景建模精度驗證

選擇建模區域范圍內的地物，隨機抽取一定比例的外業測量點，對樣本點的平面誤差和高程誤差進行驗證分析，得出三維實景建模精度分析數據。3 個方向中誤差計算公式為：

式（3）中：Δ為真誤差；n 為檢查點的個數[17]。

平面中誤差計算公式為：

7 結束語

隨著無人機和數碼相機硬件設備輔助軟件的不斷進步，無人機傾斜攝影技術由于它成本低、效率高、數據精準、操作靈活等特點，基于無人機傾斜攝影測量的三維建模應用將會越來越普及，特別是未來在三維地理信息模型建立中將會得到更廣泛的應用。