廣西精圖測繪科技有限公司 周億萍

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實際上是以三維建模技術(shù)為主要應(yīng)用的高新測繪技術(shù)，采用高精度、高效率，一體化全自動建模技術(shù)，成為當(dāng)前地理信息采集與三維場景構(gòu)建的重要技術(shù)手段。在城市發(fā)展規(guī)劃中，能為城市實景三維建模提供新的技術(shù)方向，在助力城市整體空間數(shù)據(jù)的搭建上起到至關(guān)重要的作用。

近些年，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是應(yīng)用最多及最廣的測繪高新技術(shù)，它能從大范圍內(nèi)更多角度高精準(zhǔn)、高效率的盡可能采集到更多影像數(shù)據(jù)，通過對影像數(shù)據(jù)處理以及整理其他地理信息，大規(guī)模的生成逼真的三維數(shù)據(jù)模型，會在智慧城市、數(shù)字城市等未來城市發(fā)展中被廣泛應(yīng)用，為城市管理與發(fā)展規(guī)劃構(gòu)建出精準(zhǔn)的城市實景三維地圖

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)特點及優(yōu)勢

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要借助于同一臺無人機(jī)搭載五部專業(yè)測量攝影相機(jī)，通過無人機(jī)的機(jī)動靈活大范圍飛行，所搭載的五部相機(jī)在飛行過程中從垂直以及四個傾斜角度為40°～-60°之間采集地物側(cè)面的輪廓和紋理信息，并獲取完整準(zhǔn)確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，豐富多彩的影像信息給后期三維模型帶來更逼真視的覺效果[1]。根據(jù)采集到的傾斜影像通過大批量的提取以及自動貼紋理，快速生成實景三維模型。由于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用是自動化建模的方式，可以有效縮短建模時間，降低建模成本。該技術(shù)特點主要還是通過技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮體現(xiàn)出來。在城市三維建模過程中，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)同樣發(fā)揮出以下技術(shù)優(yōu)勢：

(1)當(dāng)前無人機(jī)的應(yīng)用成本較低、機(jī)動性強(qiáng)靈活度高，能實現(xiàn)超低空大范圍的飛行多角度對地物測量數(shù)據(jù)的采集。

(2)一部垂直相機(jī)與四部傾斜相機(jī)通過無人機(jī)低空飛行，獲得厘米級高分辨的垂直和傾斜影像，四部傾斜相機(jī)從不同角度采集影像，可采集到地物測面更加豐富而真實的紋理信息，有效彌補(bǔ)正攝影只獲取地物頂部紋理信息的不足。

(3)能對大范圍內(nèi)的傾斜影像數(shù)據(jù)快速處理，通過垂直與傾斜影像全自動空三加密，不用人為干預(yù)，實現(xiàn)高分辨的影像自動貼圖以及高效率的構(gòu)建出高精度逼真的三維模型。

(4)可多角度的量測、精確的地理定位，實現(xiàn)三維實景重建，通過影像構(gòu)建的真實三維場景，是帶有準(zhǔn)確地理位置的坐標(biāo)信息以及精細(xì)表達(dá)突出的屋頂、外墻以及地形地貌等地物細(xì)節(jié)特征，從而生成逼真的三維空間場景，可將獲得三維空間場景直接網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及共享應(yīng)用。

2 城市三維建模中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的主要應(yīng)用分析

在現(xiàn)代城市發(fā)展規(guī)劃中，城市三維建模是其必然應(yīng)用的技術(shù)手段，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用可滿足當(dāng)前城市三維建模需要。它的自動化建模技術(shù)能更快更好完成現(xiàn)代城市三維建模任務(wù)，可有效大幅度降低城市三維建模時間，人員的投入，節(jié)省建模成本。熟練掌握無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，有助于城市三維模型的建立。因此，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)順利完成城市實景三維建模必須要嚴(yán)格規(guī)范各階段技術(shù)應(yīng)用要求。包括：無人機(jī)及相機(jī)性能要求、航線規(guī)劃設(shè)計要求、布設(shè)像控點、傾斜數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)等方面。

2.1 無人機(jī)及相機(jī)性能要求

無人機(jī)按照飛行方式可分為固定翼和旋翼(單旋翼、多旋翼)，動力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃機(jī)動力和電池動力兩種。測繪用的無人機(jī)一般對飛行性能標(biāo)準(zhǔn)要求很高，主要對無人機(jī)載重量、實用升限、巡航速度、續(xù)航時間，安全性及抗風(fēng)等級方面都做出了限定，例如：(1)無人機(jī)載重量≥2kg；(2)多旋翼巡航速度>6m/s，而固定翼巡航速度>10m/s；(3)電池動力續(xù)航時間>25min，內(nèi)燃機(jī)動力續(xù)航時間>1h；(4)抗風(fēng)性要>4級風(fēng)速；(5)無人機(jī)實用升限可達(dá)到1000m以上，海拔高度不低于3000m。相機(jī)性能要求：獲取影像能力、拍攝時間、曝光功能、續(xù)拍時間、POS記錄功能等方面做出限定，例如：(1)單個鏡頭>2000萬像素；(2)一次曝光>1億像素；(3)拍攝時間至少要達(dá)到90min；(4)能全天候拍攝最好；(5)定點曝光功能，影像重疊度能達(dá)到要求。

2.2 航線規(guī)劃設(shè)計要求

在城市三維建模前期需要通過無人機(jī)外業(yè)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，應(yīng)根據(jù)城市建筑主體高度，走向以及光照方向事先設(shè)置好航飛線路。一般以“井”字航線設(shè)置為好，使航線方向確保與測量區(qū)的縱線和橫線方向一致，航線路徑要根據(jù)航測區(qū)實際情況來確定飛行范圍及高度，目的是確保采集影像數(shù)據(jù)的完整性以及紋理的清晰度，航線規(guī)劃前提還要將測區(qū)周邊環(huán)境影響因素考慮進(jìn)去，確保航測時無人機(jī)飛行的安全。為了使影像數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確，航向重疊度應(yīng)>80%，旁向重疊度應(yīng)>70%。

2.3 像控點的布設(shè)要求

像控點的布設(shè)，關(guān)系航測影像數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，一定要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行布設(shè)，在城市航測區(qū)域邊及拐角處必須設(shè)置控制點位，測區(qū)內(nèi)的點位間距要均勻設(shè)點，點位之間距離大約200～300m。像控點布設(shè)要盡量選擇在平坦且具有醒目的地方，可充分利用城市中地形、地物，如：選擇道路拐角點、斑馬線直角點以及地物清晰的分界點等作為布設(shè)像控點。

2.4 傾斜數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

在獲取城市航測傾斜數(shù)據(jù)時，事前應(yīng)根據(jù)規(guī)劃好的航線以及設(shè)置好像控點的測量區(qū)域范圍大小，合理選擇測量使用的無人機(jī)與相機(jī)，并設(shè)置好應(yīng)用設(shè)備的各項參數(shù)，航測還要注意天氣變化，盡量選擇晴朗、無風(fēng)、少云的天氣進(jìn)行航測數(shù)據(jù)采集，提高航測成果準(zhǔn)確度，影像數(shù)據(jù)采集后需要及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這是城市三維建模重要性基礎(chǔ)工作，也是事關(guān)三維建模成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)過以下關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。

2.4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

經(jīng)過航測獲取的影像數(shù)據(jù)，要先進(jìn)行預(yù)處理，主要對POS數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、傾斜影像的曝光度調(diào)整、對比度調(diào)整、色彩曲線、白平衡編輯等。通過傾斜影像預(yù)處理后，可獲得符合要求的航測遙感圖像。

2.4.2 多視影像聯(lián)合平差

聯(lián)合平差技術(shù)主要是在處理影像數(shù)據(jù)過程中解決圖片之間幾何變形以及遮擋問題以及POS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換處理中可得傾斜圖像外方位元素，采用由粗到精的方式在每一張影像圖片上進(jìn)行同名點自動匹配，然后使整體區(qū)域網(wǎng)運用光束法進(jìn)行平差[2]。即以一張影像圖片組成的一束光線作為一個平差單元，并以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整個區(qū)域最佳地嵌入到控制點坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系，得到較好的同名點匹配結(jié)果。同時使連接點和連接線、POS數(shù)據(jù)與GPS/IMU數(shù)據(jù)的傾斜圖像運用聯(lián)合平差計算，確保平差結(jié)果符合測量要求。

2.4.3 多視影像密集匹配技術(shù)

城市三維建模過程中，需要經(jīng)過影像密集匹配技術(shù)的應(yīng)用，傾斜影像密集匹配重點是要獲取有精確同名點坐標(biāo)的地物三維信息。然而，在影像密集匹配過程中，很有可能會產(chǎn)生大量冗余信息，若使用單一匹配從傾斜圖像中提取三維坐標(biāo)點很難實現(xiàn)，必須要通過多視角圖像匹配來實現(xiàn)傾斜影像圖像密集匹配的完成，從而獲取高密度DSM點云數(shù)據(jù)。

2.4.4 實景城市三維模型的輸出

在確認(rèn)影像數(shù)據(jù)正確后，可進(jìn)行空三角測量。根據(jù)少量的現(xiàn)場控制點，再對控制點進(jìn)行加密，來獲取精確外方位元素，然后再通過多視影像密集匹配找到真彩點云連接點構(gòu)成三維TIN網(wǎng)格，并根據(jù)三維TIN網(wǎng)格中每個三角形瓦片的法線方程與二維圖像之間的夾角篩選出對應(yīng)的最優(yōu)紋理信息，進(jìn)行映射糾正，完成地物自動紋理映射，構(gòu)建出實景城市三維模型。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)城市三維建模問題分析

該技術(shù)利用無人機(jī)和搭載的小型高分辨的專業(yè)相機(jī)，實現(xiàn)對城市大范圍的進(jìn)行高效率、高精準(zhǔn)的航空測量獲取城市地理影像信息。無人機(jī)傾斜攝影測量的自動化建模技術(shù)能在獲取的城市影像信息經(jīng)過處理和整合后，高效精準(zhǔn)的構(gòu)建出逼真的三維城市地圖，為城市規(guī)劃提供可靠參考依據(jù)。然而，該技術(shù)的城市三維建模中難免也會受到一些因素的影響，使三維模型建立達(dá)不到應(yīng)有的效果。比如：測量中應(yīng)用的無人機(jī)性能差異或相機(jī)分辨率低等問題，使無人機(jī)在測量過程中穩(wěn)定性差，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的不夠精準(zhǔn)以及獲取的影像清晰度不夠，建模沒能達(dá)到實際效果，部分模型會出現(xiàn)破洞和凸包等現(xiàn)象。引起模型凸包的因素還有受城市大氣環(huán)境中噪音的影響。另外，測量過程中受光照條件不同的影響，導(dǎo)致模型的側(cè)面紋理不均勻現(xiàn)象發(fā)生，從而會使部分區(qū)域出現(xiàn)破洞。而在分辨率低的影響下，很有可能會造成模型邊緣出現(xiàn)變形的問題[3]。因此，相關(guān)技術(shù)人員測量中要善于對出現(xiàn)的問題分析，測量中要不斷提高技術(shù)應(yīng)用水平，更好利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)優(yōu)化建模方法，不斷提升三維建模技術(shù)水平，為城市實景三維建模提供更有力的新技術(shù)支持。

4 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)城市三維建模優(yōu)化方法的應(yīng)用

城市三維建模對智慧城市、數(shù)字城市發(fā)展規(guī)劃有著十分重要的作用。當(dāng)前，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)作為較多應(yīng)用在城市三維建模主要技術(shù)，通過技術(shù)的應(yīng)用能客觀真實精準(zhǔn)構(gòu)建出實景城市三維立體模型。該技術(shù)高性價、低成本、高效率、高精準(zhǔn)在測量中獲取地理信息的優(yōu)勢受到了測繪人員的喜愛。然而，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)測量中雖優(yōu)勢諸多，但技術(shù)完善和優(yōu)化仍需有待提升，尤其測繪人員在技術(shù)應(yīng)用水平上要不斷提高。

4.1 城市三維建模優(yōu)化二次處理

為了避免在城市三維建模中出現(xiàn)不利因素，測繪技術(shù)人員在技術(shù)實際應(yīng)用過程中，要及時做好相關(guān)調(diào)整與優(yōu)化。例如：無人機(jī)或相機(jī)的選用、測量方案設(shè)計以及測量設(shè)備參數(shù)設(shè)置等，確保在城市測量中獲取的影像數(shù)據(jù)達(dá)到測量實際要求。在城市三維建模過程中，針對三維模型出現(xiàn)的破洞或凸包等問題，相關(guān)技術(shù)人員需要考慮采用二次修復(fù)方式進(jìn)行處理，通過破洞修復(fù)、凸包抹平等二次優(yōu)化處理技術(shù)以及重新改進(jìn)地物目標(biāo)，使構(gòu)建的三維模型重建或替換。

4.2 城市三維模型的快速修復(fù)

在建立的城市三維模型出現(xiàn)畸形或側(cè)面紋理不均勻時，需要對模型進(jìn)行修復(fù)，如何能快速實現(xiàn)城市三維模型的修復(fù)。主要通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)空三加密的方式，利用空三加密成果快速修復(fù)三維模型，空三加密技術(shù)是三維建模的重要步驟。技術(shù)應(yīng)用是根據(jù)各區(qū)域間的差異，在區(qū)域內(nèi)均勻分布若干控制點，然后采用立體測圖技術(shù)對加密的點位高度和平面位置進(jìn)行計算來獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過空三技術(shù)得到重新校正和定向的影像數(shù)據(jù)，從而使各影像數(shù)據(jù)之間達(dá)到準(zhǔn)確疊合的效果。在運用空三加密成果對城市三維模型修復(fù)時，技術(shù)人員要開發(fā)出一套模型輔助編輯系統(tǒng)，然后將獲得空三加密成果和初始化三維重建模型一并導(dǎo)入開發(fā)的系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)合空三技術(shù)和空三加密之間的差異，利用空三加密成果對存有缺陷的原始模型目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行幾何修復(fù)和紋理修補(bǔ)。對開發(fā)的模型輔助編輯系統(tǒng)來說，可實現(xiàn)模型同名點的搜索、模型紋理自動提取、模型交互制作。應(yīng)充分去利用糾正傾斜影像和加密點，對模型紋理的自動提取和定向，完成修復(fù)建模。實踐證明，使用該方式對模型修復(fù)的過程中，所有數(shù)據(jù)可獲得快速提取并通過輔助系統(tǒng)完成自動處理，在空三后的影像上進(jìn)行地物目標(biāo)結(jié)構(gòu)線的繪制，然后通過拉伸等方法實現(xiàn)制作城市三維模型的實體及自動貼圖，使城市三維模型修復(fù)后達(dá)到實景三維立體模型效果[4]。

5 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)作為當(dāng)前應(yīng)用較多的一種三維建模技術(shù)，為城市實景三維建模提供了新的技術(shù)方向。該技術(shù)能夠快速高效、高精準(zhǔn)在城市測量中獲取多角度高分辨率的遙感影像地理信息，經(jīng)過相關(guān)軟件自動化處理，進(jìn)而連接到三維地理信息平臺并自動化構(gòu)建出城市實景三維模型。在實際三維建模中，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)也難免會受到一些因素的影響，時常構(gòu)建出來的模型無法達(dá)到應(yīng)用效果。為此，相關(guān)技術(shù)人員在日常工作中應(yīng)加強(qiáng)對技術(shù)應(yīng)用的深入分析，促進(jìn)無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)不斷完善，進(jìn)一步優(yōu)化三維建模方法，更好去滿足社會各領(lǐng)域服務(wù)的需要。

引用

[1] 李興久.淺談無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實景三維建模中的應(yīng)用[J].測繪標(biāo)準(zhǔn)化,2021(1):75-78.

[2] 劉得斌.城市三維建模中無人機(jī)傾斜攝影測量分析[J].智能城市,2021(9):57-58.

[3] 王云川,段平,李佳,等.不同航線規(guī)劃的無人機(jī)影像三維建模質(zhì)量分析[J].遙感信息,2020(2):121-126.

[4] 譚俊杰.關(guān)于面向城市規(guī)劃的傾斜攝影及三維建模技術(shù)淺析[J].中小企業(yè)管理與科技,2020(22):179-180.