無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用研究

劉浩

深圳市深汕特別合作區國土空間規劃研究中心 廣東 深圳 518000

城市規劃、自然資源管理、CIM平臺、數字政府等領域對于高精度的城市實景三維建模需求日益增長。傳統的建模方法通常依賴于地面測量儀器和航空攝影，但存在成本高、時間長、數據采集困難等問題。近年來，隨著無人機技術的快速發展，無人機傾斜攝影技術作為一種高效的數據采集手段，正在逐漸應用于城市實景三維建模領域。對環境要求低的無人機傾斜攝影技術能夠以較低的成本獲取多角度高分辨率的傾斜航拍影像，同時結合慣性導航系統和全球定位系統（GPS），同步獨立獲取位置姿態信息，這使得無人機能夠捕捉到建筑物、交通路網、植被等細節豐富的實景數據。然而，由于城市環境的復雜性和數據處理的挑戰，仍然存在一些問題需要進一步研究和解決，例如傾斜攝影數據的校正與配準、建模算法的選擇和精度評估等。

1 無人機傾斜攝影技術基礎

1.1 無人機技術概述

無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），又稱為無人飛行器或者無人機器，是指可以在無人駕駛或遙控下飛行，或者可以自主飛行，并可以攜帶設備執行特定任務的飛行器。無人機的概念可追溯到二戰時期，但其在近年來得到了廣泛的發展和應用。無人機按其設計、搭載設備和執行的任務各有不同，可以大致分為軍事用途和民用途兩類。軍事用途無人機主要用于偵查、監視、打擊等任務，而民用無人機則有更廣泛的應用，包括測繪地理地理信息、災害監測、農業植保、物流配送、景區巡視等。

無人機的工作原理主要基于遙控和自主導航兩種方式。遙控無人機通過地面控制站接收到的信號進行操作，而自主導航無人機則通過預設的飛行路徑或者由其搭載的自主導航系統進行飛行。技術上，無人機的關鍵組成部分包括：航空平臺（包括無人機本體、發動機和動力系統）、控制系統（如遙控設備和自主導航設備）、搭載設備（如相機、雷達等傳感器）以及地面控制站。隨著科技的進步，無人機技術也在不斷發展和進化。其中，機器視覺、人工智能和深度學習等技術的發展，使無人機能夠進行更為復雜的任務。無人機技術的發展對于城市規劃、自然資源管理、CIM、數字政府等領域帶來了巨大的潛力和價值[1]。

1.2 傾斜攝影技術概述

傾斜攝影技術是通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個側視等不同角度采集影像。它比傳統的攝影測量多了四個傾斜拍攝角度，從而能夠獲取到更加豐富的側面紋理等信息。與傳統垂直攝影技術不同，傾斜攝影技術是將相機在空中進行傾斜拍攝，捕獲地表景觀的側視圖，而不僅僅是頂視圖。這種拍攝方式能夠獲取到物體的立體信息，尤其是建筑物的立面信息，以及地形地貌的斜面信息等。傾斜攝影技術在三維模型的構建過程中有著重要的應用，通過獲取地面建筑物等的多角度、多方位信息，使得從多個視角拼接的三維模型更加精確和完整。并且，由于這種技術可以捕獲到更多的空間信息，使得三維模型的呈現效果更為真實。

使用傾斜攝影技術進行攝影需要特殊的設備支持，例如帶多鏡頭，可主動調節快門速度、感光度、白平衡、色彩模式的相機或者帶有穩定云臺可以進行姿態調整的無人機等。在拍攝過程中，也需要考慮到多種因素，例如拍攝角度、高度、光線條件等，以保證拍攝到的圖像質量。傾斜攝影技術的出現和發展極大地推動了測繪地理信息科學領域的進步，使得三維建模技術更為廣泛的應用于城市規劃、自然資源管理、CIM、數字政府等多個領域。盡管這種技術在數據快速處理和高程精度等方面存在一定的挑戰，但其在獲取更豐富、更真實的空間信息方面的優勢仍然使得傾斜攝影技術在未來的發展中充滿了巨大的潛力。

1.3 傾斜攝影三維重建原理

傾斜攝影三維重建主要是通過無人機搭載相機，從不同的視角和方向拍攝地面的圖像，再利用三維重建算法將這些圖像進行匹配、拼接，從而重建出場景的三維模型[2]。傾斜攝影作業流程包括：技術設計、傾斜攝影采集、控制點測量、數據預處理、真三維模型制作、單體化模型制作、質量檢查等工序。作業流程如圖所示:

圖1 傾斜攝影作業流程圖

2 城市實景三維建模的需求和挑戰

2.1 城市實景三維建模的重要性

城市實景三維建模已成為城市規劃、建設和管理的重要工具，通過為城市空間提供直觀、動態和交互式的視角，改變了對城市環境的理解和交互方式。以下是城市實景三維建模的主要重要性：

（1）規劃和設計：城市實景三維建模提供了一個強大的工具，使城市規劃者、設計師和決策者能夠可視化和預測城市發展的各種可能性。通過傾斜攝影三維模型“摸清現狀”，實時獲取指標數據；同時基于實景三維場景，借系統分析能力，“沉浸式”規劃設計，提高規劃方案的科學性與合理性；（2）自然資源管理：輔助應用于土地征收整備、國土調查、建筑物普查、耕地監測、新增房屋監測、地質災害防治、礦產資源評估、項目選址，能有效提升自然資源管理水平；（3）助力CIM平臺建設：采用正向三維建模、傾斜三維攝影、點云實景掃描等方式完善重要建筑物 BIM、道路及地下管網、融合各部門政務數據構建 CIM 平臺，使得 CIM 平臺可實現身臨其境映射與還原，有效提升各類型城市治理應用的效率與精度。（4）科研教學：城市實景三維建模在城市科研和教學中也起著關鍵作用。通過模型，學者可以更直觀地研究城市形態、結構和動態變化，而學生則可以通過模型更生動、直觀地學習和理解城市知識[3]。

2.2 無人機傾斜攝影技術面臨的挑戰

無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用，雖然具有巨大潛力，但同時也面臨著許多挑戰。傾斜攝影技術產生的數據量巨大，這對依賴于算力的數據快速處理、存儲能力、數據輕量化、模型單體化等方面提出了更高的要求。同時，數據處理過程中的精度控制、數據融合、無效數據濾除等問題也較為復雜。盡管無人機傾斜攝影技術的測量精度已經能滿足大多數應用需求，但在一些對精度要求極高的應用場景中，如貼近攝影測量仍然存在挑戰。在城市環境中使用無人機進行傾斜攝影飛行，可能會面臨各種安全問題，包括無人機電池續航問題，無人機與高樓大廈、電線、樹木等的碰撞風險，以及無人機的機電故障、信號干擾等問題。在很多地方，使用無人機進行飛行活動需要遵守嚴格的法規，包括但不限于飛行高度、飛行時間、飛行區域等。在城市環境中，尤其是人口密集或敏感區域，飛行規定可能更加嚴格。此外，城市環境復雜，光照條件、建筑密度、地形地貌等因素可能會對無人機傾斜攝影造成影響，這也是無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中需要克服的挑戰之一[4]。

3 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用

3.1 數據采集

數據采集主要目標是通過無人機的飛行和拍攝，采集足夠的、高質量的傾斜攝影影像，為后續的數據處理和三維建模提供基礎。首先，根據收集到的項目相關的地形圖、影像圖等基礎測繪資料，到實地勘查檢驗，為后續數據采集工作打下基礎。需要規劃無人機飛行路線。路線規劃需要考慮無人機飛行安全、拍攝角度和重疊度、地形地貌特征等多種因素，以確保能采集到覆蓋全區域的、具有一定重疊度的傾斜攝影影像。同時，需要配置適當的攝像頭參數，如曝光、對焦等，以獲取高質量的影像。其次，執行無人機的飛行和拍攝。在飛行過程中，無人機會根據預設飛行路線和拍攝參數，自動進行飛行和拍攝，采集傾斜攝影影像。在此過程中，還需要對無人機飛行狀態進行監控，確保飛行的安全和數據采集的完整性。最后，進行數據收集和校驗。將無人機采集的影像數據導出，并進行初步校驗和處理，如圖像質量檢查、坐標校準等，為后續的數據處理和三維建模做好準備。

3.2 數據處理

從無人機系統采集的傾斜攝影影像數據需要經過一系列的處理步驟，才能夠生成高質量的三維模型。影像預處理：由于傾斜攝影數據量巨大，而且有五個鏡頭的影像數據，每個鏡頭的照片都要區分開來，保證照片編號不重復即可。嚴格按照勻光、勻色步驟去對航攝影像進行調整生成，最終獲得最佳成像效果的影像數據；傾斜影像空中三角測量：經過提取特征點、提取同名像對、相對定向、匹配連接點、區域網平差等步驟的運算處理，得到攝區空中三角測量成果；三維重建：在影像配準的基礎上，采用立體匹配技術，根據兩幅或者多幅影像的視差，重建出地面物體的三維結構，常用的三維重建算法包括基于多視圖幾何的三維重建、基于深度學習的三維重建等。模型優化：通過模型優化步驟，對初步構建的三維模型進行優化，以提高模型的精度和視覺效果，包括模型的紋理映射、細節增強、陰影處理、光照調整等。數據處理過程中不同步驟的方法和技術選擇，將直接影響到最終三維模型的質量。因此，選擇合適的數據處理方法，是確保無人機傾斜攝影技術有效應用的關鍵。

3.3 三維模型構建

無人機傾斜攝影技術采集的數據在處理后，可用于三維模型的構建，三維模型構建是一個復雜過程，涵蓋了包括幾何構建、紋理貼圖等步驟。首先，從無人機獲取的傾斜攝影圖像數據，需要通過特征點匹配和深度圖生成等步驟，進行初始的三維重建。特征點匹配的目標是尋找并匹配圖像中的同一物體或地標，為后續的深度圖生成提供基礎。深度圖生成則通過計算每個像素點的深度信息，形成初始的點云數據。其次，利用點云數據進行表面重建，生成三維模型的幾何形狀。這一過程會涉及到點云濾波、網格生成、模型優化等步驟。點云濾波是為了清除噪聲和冗余信息，提高模型的準確度。網格生成是根據點云數據構建三維模型的基本框架。模型優化則是進一步完善和細化模型，提高其質量和精度。最后，為了提高模型的真實感和可視化效果，需要進行紋理貼圖。紋理貼圖是將采集的圖像數據投影到三維模型上，使模型具有更為豐富和逼真的表面特征。這個過程需要考慮到圖像的幾何變換、顏色校正等問題，以保證紋理的準確性和連貫性[5]。

3.4 三維模型優化

經過數據采集、處理和初步模型構建后，需要進行模型優化，以更好地反映真實世界的情況。這個過程通常包括以下幾個步驟：（1）模型精細化：對模型的細節進行修整，包括調整模型的紋理、色彩、透明度等，以使模型更接近實物。對建筑物的細節，如窗戶、門、立面等，都需要進行細致的處理。在全三維建模的過程中，由于水面等特殊地物在空三加密時無法匹配到正確的連接點，會導致生成的三維模型出現漏洞，需要對這些模型漏洞進行編輯與修補；（2）數據融合：除了無人機采集的傾斜攝影數據，還可以引入其他來源的數據，如地面激光掃描數據、衛星遙感數據等，進行數據融合，可以提高模型的準確性和完整性，同時豐富模型的表現力；（3）錯誤修正：任何建模過程都可能產生誤差，需要通過各種方法，如交互式修正、算法優化等，來修正模型中的錯誤，這些錯誤可能是幾何形狀的錯誤，也可能是紋理的錯誤；（4）模型簡化：對模型進行簡化，在保證模型質量的前提下，減少模型的復雜度，可以提高模型的可操作性和可視化效果。優化三維模型是一個反復迭代的過程，需要根據實際情況進行調整。通過不斷的優化，我們可以得到更準確、更具有實用價值的城市實景三維模型。

4 結語

本文深入探討了無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用，通過詳細介紹傾斜攝影技術和無人機技術的原理，闡述了無人機傾斜攝影技術的特性，同時概述了其在數據采集、數據處理、三維模型構建和優化中的關鍵角色。無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用，將隨著技術的持續改進和應用的不斷拓展而更加廣泛。這項技術具有極大的市場前景，并有望在城市規劃、自然資源管理、CIM平臺、數字政府等多個領域發揮更大的作用，期待未來的研究能進一步推動無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用。