基于无人机倾斜摄影测量实景三维模型构建方法

基于无人机倾斜摄影测量实景三维模型构建方法

雷露露

钦州市测绘地理信息院  广西壮族自治区钦州市 535000

摘要：目前，基于传感器的无人机平台倾斜摄影技术为实时三维建模提供了一种新的途径，比传统的建模方法更加方便、准确。相对于传统的航拍摄影技术，倾斜摄影技术可以从多个角度采集影像，并能充分获取项目区域的地形信息，无人机倾斜摄影主要应用于城市建筑物和街景的三维构建。

关键词：无人机；倾斜摄影测量技术；三维建模

无人机倾斜摄影测量，可以同时采集不同倾斜角度和垂直角度的影像，通过飞行平台携带的多个传感器，获取对观测目标更为准确完整的测量，获取多维数据信息。随着无人机载荷的增加和电池寿命技术的发展，利用搭载多镜头相机的无人机对地面目标信息进行多维快速采集成为可能。同时，快速发展的无人机技术，也为地理信息产业提供了重要的数据来源，成为了重要的信息获取途径。

一、无人机倾斜摄影测量技术概述

1.1 无人机技术

无人机通常包括多旋翼、固定翼、直升机、飞艇等，是一种不载人飞行器，主要是通过无线电遥控设备和自备的程序控制装置进行操纵的。无人机在快速获取国土资源等方面具有突出的效率和优势，同时具有重量轻，结构简单的优点，便于操纵。无人机数字化程度高，使用成本低，系统智能化程度高，因此应用范围非常广泛，这也是无人机的优点。

1.2 倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影测量技术还有其他几个特点，第一，无人机飞行高度低，多角度摄像机组可以多方位、高覆盖地面目标的顶侧影像数据； 第二，实体侧纹理可见。在数据采集和城市三维模型生成方面，无人机倾斜摄影测量技术具有较高的效率，倾斜摄影能同时映射侧面纹理，传统的数字正射影像主要获取实体的顶部纹理，倾斜摄影减少了时间和人工成本，因此综合成本低。

1.3 作业流程

过去对大比例尺地形图测绘主要分成“三内二外”，也就是对内收集数据、制作草图；对外对矢量化地理进行分类；外企调绘、类别信息；内页编辑、分幅，立体测图等。在测量过程中，与以往采用的测量方法没有较大的差异，但操作方式比较简单。现场作业前，应收集大量的测量区数据，包括控制点结果、坐标系等。然后根据任务的实际要求，进行初步设计，然后提交管理部门审查，并制定无人机飞行计划，确定无人机使用的传感器类型、地面分辨率等。在达到现场图像采集能力后，需要根据航测设计技术广泛采集图像控制点坐标和倾斜图像数据。数据预处理、三维空间加密、创建真实的三维模型是办公工作的主要组成部分。办公行业中所有的数字倾斜图像都可以使用适当的软件来解决，采用多视点图像联合调整技术进行倾斜图像区域网调整，并采用连接方法缩短了行业数据整理所需的时间。大尺度地形图的收集通过三维建模可以增强对表面特征的解释和数据收集的效率。

二、无人机倾斜摄影测量三维建模关键技术

2.1倾斜数据采集

主要包括影像控制点数据和影像数据采集。为更符合精确度的要求，测量工作通常先安排影像控制点，然后才进行航拍，尤其是在测量范围以外特征点较少的地区。虽然斜航拍对天气的要求并不比传统的航拍高，但在阳光和光线充足的情况下，模型的质量更高。同时，如果选择不同天气条件下的多架次航空数据进行空中三角测量，有些照片可能与连接点不匹配，影响空中三角测量结果的准确性。

2.2空中三角测量

无人机倾斜摄影测量的数据处理，一般采用波束法区域网联合平差，以共线方程作为平差的基本数学模型，以相邻影像的同名点对和相同坐标的交点，以及影像上的场控制点和相应控制点的双射，计算每幅影像的外方位元素。该技术主要采用航空三角测量模型来测量图像控制点。其中，该技术的关键部分是空中三角加密点和测量加密的空中三角测量。在使用空三角形加密点的过程中，应位于测量区域的明显位置，并保持加密点之间的空间。如果使用无人机航空摄影技术绘制地形图，则三角形加密点应将标记之间的距离保持在1.0mm以内。设置河道和河谷区加密点，应合理增加航测节点间的高差，避免高差过明显破坏方向稳定性。完成空中三角加密点布局后，应立即测量空中三角测量。具体的任务包括做好准备、确定内部方向、绝对方向和掌握数据传输。在使用无人机技术进行航空测量的过程中，为了准确地把握该像素，所使用的像素通常为1/3像素，2/3像素。在复杂地形测量过程中，应根据实际情况选择合适的像素。

2.3第三方软件空三匹配

在利用软件处理影像过程中，空三加密是一个全自动的解决过程。如果解决方案是错误的，可以返回检查影像POS 数据、影像名称是否相互对应，然后再执行空三加密。在本实验中，共进行了两次空三加密，一次是输入影像数据和POS数据后进行空三加密，二次是基于第一次空三加密，加入影像控制点信息进行第二次空三加密。在完成空三加密后，结果可以在3Dview 中可视化。

2.4模型构建

从不同角度自动选择最佳影像对模型，生成三维密集点云。将点云自动转换为不规则三角网的TIN模型，并根据其内在的几何关系对TIN模型进行平滑和优化。根据3Dtin 的空间位置信息，获得最佳视图纹理，自动生成模型纹理，并输出 OBJ、3DML和 OSGB格式的3D模型结果。在通用三维平台上，三维数据以300米的高度在现场进行检测，重点检测区域包括住宅区、沿街商业区、政府企事业单位以及其他地形地貌。检查内容包括建筑物内是否存在结构变形、孔洞和连接； 水面是否有凸起、孔洞和反射； 道路上是否有不完整的车辆； 整个场景是否存在悬浮物、地形是否完整、水面是否平整等问题。检查三维模型是否真实反映了沟渠、运河、河流、水库、湖泊、山脊、山谷、道路等地貌。

三、无人机倾斜摄影在实景三维建模中的应用

在某历史街区及建筑物保护工程中，利用无人机采集了中心商业区核心区3.46 k㎡的跨航线区域倾斜影像，克服了传统建模的缺陷，对顶部纹理和形状，目标上部数据都进行了采集，通过无人机采集的高质量的数据，侧面纹理，对精细建模起到了辅助作用，两种方法结合，将29个重点保护建筑模型逐一替换，利用无人机低空飞行，对模型局部缺陷进行了修复，解决了倾斜摄影测量真实模型的细节补充，无人机倾斜摄影测量技术在进行重点建筑防护的工作上，提供了有力的技术保障。无人机倾斜摄影测量的应用场景非常丰富，但是，目前的发展还存在一些不足，这些不足在一定程度上制约了我国实景三维技术的推广应用。当飞行高度降低时，相应的航空照片数量会增加，部署的影像控制点数量也会增加，数据的处理、存储和发布也需要更高的硬件配置，此外，分辨率越高，相机镜头的单价就越昂贵。项目前期投资大。在这种情况下，建模和边缘连接之前，有必要对表面进行修复或通过其他常规测量方法进行补充测量。

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