無人機傾斜攝影實景三維模型制作優化研究

摘要：針對傾斜攝影空三解算易失敗、實景三維模型建筑物變形、文字清晰度低等問題，本文在分析傾斜攝影技術后，給出空三易失敗的原因及提出優化措施，并將其應用于實際作業項目。對生產的模型存在的問題，分析了模型問題產生的原因并給出了解決方案。通過對模型進行優化處理后，優化前后的模型對比顯示：優化后的模型建筑物結構更完整，文字清晰度更高，從精度和模型美觀上來說，更有利于城區的三維管理。本文的研究旨在為城區精細化模型制作提供思路，并為城區高質量模型的制作帶來借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維模型；模型優化；精細化模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0117-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，城鎮化進程推動了城市的快速發展。然而，城市發展規劃之前一直停留在二維或模擬三維場景之下，這種規劃與實際情況差異較大，已經無法滿足城市高質量發展規劃需求[1]。傾斜攝影由于其真實性高、現勢性強、數據易獲取、成果精度高等優點，近年來被廣泛用于城區實景三維模型的生產[2-3]。然而，傾斜攝影也存在空三加密易失敗、實景三維模型建筑物變形、文字清晰度低等問題，這些問題在一定程度上限制了城市三維管理的發展[4-5]。為了解決上述問題，并將傾斜攝影技術真正運用于城區實景三維模型制作，本文對傾斜空三加密易失敗的原因進行了分析，并提出了優化措施。本文以實際項目為例，說明了傾斜建模流程，并結合實際生產中模型存在的問題，分析其原因并給出優化方案。最后，將優化方案應用于本次生產的模型中，取得了較好的效果。希望本文的研究可以為城區精細化三維模型的生產提供參考。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是一種以無人機為飛行平臺，搭載多個相機從空中對地面進行航空攝影的技術[6-8]。相較豎直攝影測量，傾斜攝影搭載的相機更多，獲取影像的視角更多，得到的影像信息更加豐富，成果精度更高，產品用途更廣。對于航空攝影來說，相機的像元大小、相機焦距、航攝相對高度和地面影像分辨率存在如式（1） 的關系：

[H=f*GSD/a] （1）

式（1） 中：[a]表示的是相機的像元大小，[GSD]表示航攝時獲取的影像地面分辨率，[f]表示相機焦距，[H]表示航攝時的航攝相對高度。當相機選定后，式（1） 中的變量只有[H]和[GSD]。對于影像解算來說，[GSD]的數值越小，影像清晰度越高，成果解算精度越高。對于城市航攝來說，在安全飛行的前提下，相機選擇長焦，像元大小選擇小的，可以獲取更高分辨率的影像，從而提升數據解算精度。

在傾斜攝影相機選擇時，為了數據解算精度更高，一般相機同一種相機，唯一不同的是相機焦距不同。以5鏡頭相機為例，其由4個下視和1個側視組成，下視和側視夾角為45°。在航攝過程中，側視相機距離被攝物體的距離（假設地面平坦）是下視相機的1.414倍，而分辨率相同可以提升數據的精算精度，因此需要對焦距調整，調整側視相機焦距是下視的1.414倍。

2 空三加密優化

傾斜影像存在冗余度高、畸變大、分辨率差異大、色差大、定位定姿系統（Position and Orientation System，POS） 數據共用等問題，這都影響空三加密的解算精度。因此在作業前，對航攝數據進行預處理，可以實現對空三加密結果的優化。

2.1 影像質量提升

影像是空三加密解算最重要的數據，目前的算法都是基于影像數據完成的。在傾斜攝影數據解算中，其主要包括影像金字塔構建、特征檢測、特征提取、圖像相似度計算、特征匹配、平差調整等內容。因此，影像的質量直接影響空三加密成果解算的結果，需要進行優化處理。目前傾斜影像主要存在影像冗余度高、畸變大、分辨率差異大、色差大等問題。為解決上述問題，可采用以下方法：

2.1.1 影像冗余度高優化

影像冗余度主要由影像重疊度和多鏡頭造成。對于范圍線內的影像，后期實際參與生產的應予保留；對于只參與數據解算、對后期模型生產無用的影像可剔除。對于傾斜數據而言，需保留下視鏡頭對應任務區范圍內的影像；側視鏡頭因覆蓋范圍和航高相等，因此距離任務區范圍內的一個航高距離的側視鏡頭影像也是可以剔除的。任務區范圍外的影像，由于其重疊度低、影像質量差，參與數據解算會導致數據解算成果精度降低。影像的剔除可以減少影像總數量，提升影像的解算效率和精度。

2.1.2 畸變大優化

由于傾斜攝影影像畸變大，因此解決影像畸變問題，也可以提升空三的解算精度。影像畸變可以從兩方面入手，即對影像畸變進行糾正處理和去除影像邊緣部分，讓其不參與數據解算。影像畸變處理主要是借助高精度相機參數，對影像進行糾正，對于傾斜攝影相機來說，準確的相機參數獲取難度大，一般都是通過軟件自檢校獲取，再進行畸變處理。去除影像邊緣部分并不是對原始影像進行裁切，而是采用蒙板技術，對影像參與空三解算的部分進行約束，從而降低影像畸變對空三加密帶來的影響。

2.1.3 分辨率差異大優化措施

由式（1） 可知，在相機選定后，影像地面分辨率只與航攝相對高度有關。對于相機焦距帶來的分辨率差異大的問題，可采用調整下視和側視相機焦距之間的關系來解決。對于航攝相對高度帶來的影像差異大的問題，目前主要采用變高飛行和仿地飛行技術來解決。即結合建筑物或地形高度，調整航線規劃方案，從而獲取分辨率盡可能一致的影像數據。

2.1.4 影像色差大優化

在傾斜攝影測量中，由于相機安裝角度不同，因此每個相機在曝光時的進光量是不同的，地物互相遮擋，產生的陰影，這些都會導致航攝原始影像成果存在色差。數據解算主要依據影像的紋理等信息，因此色差大也會對影像數據的解算帶來影響。采用勻光勻色技術，對照片進行勻色處理，科技解決影像色差大的問題，還可以在一定程度上提升影像整體質量，更有利于數據的解算。

2.2 POS數據優化

目前常見的5鏡頭相機，在作業過程中，只記錄下視鏡頭相機的POS數據，然后將其作為側視相機的POS數據共用。由于側視相機和下視相機存在一定的安裝距離和角度，如果能夠解算得到側視相機真實的POS數據，可以有效提升空三加密數據解算的精度和成功率。由于側視和下視相機安裝關系是固定的，因此可以以下視POS作為原始數據，結合相機之間的安裝距離和角度關系，解算出準確的側視相機曝光時的位置和角度，從而實現POS數據的優化。

3 實景三維模型生產

本文基于傾斜攝影技術，生產實景三維模型的流程如圖1所示。

采用本文提到的優化方案，對空三加密成果進行優化，空三解算得到的加密點重投影中誤差為0.31個像素，所有像控點的三維中誤差為0.005m，空三結果精度好。采用傾斜攝影建模軟件，自動生產的部分模型如圖2所示。

4 模型問題產生的原因及優化方案

對模型成果查看，發現模型存在如下問題：部分三維模型建筑物變形、文字清晰度低。

4.1 模型問題分析

4.1.1 建筑物變形問題分析

建筑物變形主要發生在建筑物底部，這與分析查看和航攝影像拍攝角度有關。傾斜攝影是一種從空中對地面進行的拍攝，由于建筑物相互遮擋、樹木遮擋等原因，在很多情況下，無人機無法拍攝到建筑物底部的影像數據，因此存在航攝盲區。在數據解算時，是基于影像紋理等信息進行解算的，對于盲區部分，由于缺乏可靠的影像數據，會導致解算失敗或解算錯誤，這些問題最終會導致建模過程中出現結構變形、紋理拉花等問題。

4.1.2 文字清晰度低

文字清晰度低以及結構不完整主要與航攝影像的質量和分辨率有關。對于模型中的文字，由于航攝影像分辨率低、影像亮度不足等問題，會導致生產出來的模型比較模糊。文字通常較小，有些為鏤空結構，因此在建模時，由于缺乏足夠的密集點云，模型中的字體可能會出現殘缺，這會影響模型的視覺效果。文字作為位置標識，也是一種日常關注的內容，因此對文字進行優化處理是非常必要的。

4.2 模型問題優化方案

4.2.1 建筑物變形優化方案

分析建模全過程，結合航攝影像存在的盲區特點，可以從影像和點云兩個方面對建筑物變形進行優化處理。

1） 補充盲區影像數據。由于傾斜攝影是因為視角及遮擋等問題，才導致了建筑物變形，因此可以采取地面補拍照片的方式對建筑物變形進行處理。補拍照片分辨率更高、像片質量更好，可以利用大量的像控點對補拍和傾斜數據生產的空三成果進行約束，確保兩種數據源的空三成果能夠完全融合。然后基于空三成果，完成多視影像密集匹配、三角網構建及模型的生產，可以解決建筑物模型底部變形拉花的問題。

2） 增加盲區點云數據。模型是無數的三角網組成的，三角網是基于點云構建的，因此增加變形區域的點云數量，提供準確的點云數據，可以解決建筑物變形問題。可采用地面靜態或軌跡掃描的方式，獲取建筑物底部的點云數據，并在掃描時同時采集建筑物底部的影像數據，確保后期兩種點云數據一起完成三角網的構建，將采集的影像映射到三角網上，得到最終優化的建筑物模型成果。

3） 單體化模型優化。模型是利用三角網構建的，采用單體化技術，重新構建三角網，完成模型的優化處理。基于平差后的空三加密成果，導出未畸變照片，優化后的外方位元素和相機參數。將這些數據導入到專業的單體化軟件中，構建影像金字塔，重建立體模型，在模型上采集建筑物的頂點三維坐標和建筑物邊界線，完成建筑物線框的采集，然后構建三維白模。利用航攝影像完成單體化模型的紋理映射，并對映射錯位區域進行修飾，確保紋理映射準確，過渡自然。

4.2.2 文字清晰度低優化方案

對于文字存在的問題，目前可以采用降低航飛高度獲取更高分辨率的影像，以提升影像質量，確保構建完整的文字結構。對于獲取高分辨率影像，一般要降低航飛高度，或更換相機，實際操作性較差。一般都是基于原始影像，在立體像對模型中，量取字體的高度、寬度等參數，然后重新構建對應的文字，并對字間距、字體進行調整，完成最終的文字部分三維模型成果的優化處理。

5 模型優化處理

本次采用單體化模型優化方案，對建筑物變形問題進行處理，對樹木進行刪除，得到如圖3所示成果。

對清晰度低的文字進行處理，得到如圖4所示成果。

6 結束語

本文從傾斜攝影入手，介紹了傾斜攝影技術，并分析了航攝數據對空三加密解算的影響，提出了優化航攝原始數據的措施。以實際項目為例，完成對航攝數據成果預處理操作，并生產得到實景三維模型。查看模型并對模型中存在的問題進行了分析，提出了優化方案，并最終對模型進行了優化處理。通過對比優化前后的模型，可以看出采用本文提出的方案優化后的模型，建筑物結構更加完整，文字效果更加美觀，可為城區精細化模型制作帶來新的啟示。

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【通聯編輯：梁書】