倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析

倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析

张科,李文娜,孙瑞举,彭延锋,施陶杰

浙江正元地理信息有限责任公司，浙江省德清县  313200

摘要：倾斜摄影测量是通过无人机搭载相机，从左视、右视、前视、后视以及正视五个方向对地面进行拍摄，经过一系列的处理得到地面信息数据。随着遥感技术的迅猛发展，地理信息的三维可视化表达逐渐成为研究热点，其在地理国情监测、城市模拟、区域可持续发展等多个领域正发挥着重要的作用。因此，城市三维实景建模对于研究城市的发展具有重要的意义。目前，三维建模技术主要分为３种：人工建模，倾斜摄影建模和激光雷达建模。人工建模方法模型效果较好，但其制作需要大量人力和制作周期，适用于小范围、特定目标的三维建模。本文主要对倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状进行分析，详情如下。

关键词：倾斜摄影；实景三维建模技术；应用

引言

倾斜摄影测量技术可实现快速获取地物不同角度的影像，得到更为详尽的地物侧面信息，能更直观真实地反映实际地物特征，适用于大范围建模，但抗光照、风速干扰能力差，无法解决因地物遮挡造成的局部纹理扭曲、地物拉花、地物空洞等问题。目前的研究大多采用机载激光雷达进行三维建模，但其对地物的纹理表达效果较差，还需对地物进行纹理采集，成本高、效率低。因此机载激光雷达技术目前大多应用于单体建筑的建模，现有研究较少地将机载激光雷达技术应用于综合城市三维建模中。

1倾斜摄影测量实景三维模型的构建流程

1.1稀疏匹配

选择特定的算法，在描述相同地形地物的不同影像之间提取同名特征点，这一过程即为稀疏匹配。根据提取出来的同名特征点，可以在数字地图上更加准确地表示不同影像之间的相对位置关系，甚至能起到自动修正位置、提高位置精度的效果。完成稀疏匹配要经过以下流程：a.特征点提取。为了从影像中找到特征点，可选择Harris算子进行角点检测，找出特征角点，或者选择DoG算子进行斑点检测，找出特征斑点。这样就能从多个同名点中找出同名特征点。b.特征点描述。利用特征点本身或领域点的特征信息来描述特征点，例如尺度信息、坐标信息、方向信息等。c.特征点匹配。在多个特征点之间建立映射关系，从特征点集合中寻找能成功配对的信息。根据配对结果，如果相似度较高，说明两点为同名特征点的几率越大。

1.2密集匹配

将所有特征点纳入到同一个集合中，即可得到稀疏点云。虽然稀疏点云可以提供构建实景三维模型的数据，但是模型清晰度、纹理等方面还存在很多缺陷，因此还要对稀疏点云中的同名像点做密集匹配处理。尤其是采用倾斜摄影方式获得的数据，因为拍摄角度的原因，影像资料的投影变形大、地物之间相互遮挡的情况较为常见，需要对影像中的特征点做特殊处理。方法如下：利用特征点建立三角网，每个独立的三角形代表一个独立区域，并对同名三角形进行独立的仿射变换。这样每个同名三角形中，每个顶点都可以提取出1个同名特征顶点，将三角网中所有三角形按照上述方法完成仿射变换后，可以得到一个由同名特征顶点组成的旋转矩阵。利用该矩阵对三角形内的点进行像素点匹配，如果匹配相似度达到标准值，则为同名像点，利用该方法可以寻找更多数量的同名像点，从而提高实景三维建模的精度。

2倾斜摄影实景三维建模技术应用

2.1基于无人机倾斜摄影技术的景观模型构建

传统的三维模型采用测量建模的方法，依据大比例尺地形图和ＤＯＭ建立模型结构，通过DOM获取顶层纹理，人工拍照获取侧面纹理，其成本高、工作强度大，也无法反映真实世界。倾斜摄影技术的出现改变了这一现状，特别是无人机技术的飞速发展，使得利用倾斜摄影技术进行三维获取更机动灵活、快捷高效，该技术已逐渐渗透到各个学科的研究，如城市规划、农业和林业、环境、矿业、测绘、军事和其他领域。无人机倾斜摄影技术突破了传统的航天航空摄影只能从单个垂直角度进行拍摄的技术壁垒，通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度拍摄照片，然后对收集到的地物数据进行处理，生成地面的三维真实场景模型。1）计算三维模型。采用ＣoｎｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅ软件生产三维模型，模型构建需要提取点云数据，建立大量合理的三角网模型，生成白膜后再为其自动贴附影像纹理。建模过程中，需要最大限度确保地物间的相对位置、空间分布的准确性，以及地物自身状态、表面纹理等的真实性，若模型精度不能满足要求，则需要对空三加密以及建模进行进一步优化，尽可能为后续工序提供优质模型。

2.2倾斜摄影测量在三维地形图绘制中的应用

地形图广泛应用在人们生产生活中。鉴于传统测量形式单一、数字化水平低的现状，无人机倾斜摄影测量以作业灵活、低成本、效率高的优势逐渐走进人们的视野。为了避免生成的三维模型与真实地物差距偏大，因此对模型中的地物高度和实际测量高度进行精度评定。高度精度规范中，1∶500外业和非外业调绘分别为0.5m和0.8m;1∶1000和1∶2000精度为1m和2m。模型高度精度分析方法是将模型量测值与实测采集到的地物高度真值求高差并计算中误差，得到模型高度精度。地物高度用高精度全站仪测量记录，选点多为D区建筑物，主要为楼房高度，窗沿距离地面的高度，低矮房屋高度等。与传统建模方法相比，使用倾斜摄影测量技术建模的时间被大大缩减，均达到《三维地理信息模型数据产品规范》Ⅰ级标准，可以投入实际应用中，对将实景三维地形图应用到人们日常生活中有一定的推动作用。

2.3倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用

倾斜摄影建模理论上来说，只要照片具有一定的重叠度，就可以进行建模，但是测绘是要讲究坐标系和精度的，因此还需要引入POS数据，POS中记录了相机在空中曝光时的位置和姿态，由于无人机的不稳定性，因此在实际作业中，对POS数据进行了舍弃。倾斜摄影建模技术是指通过自动或半自动的技术，借助摄影测量算法，对航摄影像数据进行解算，得到具有三维的，能够按照一定比例尺呈现实际现状的技术。其主要分为航摄影像数据获取、空中三角测量解算和可视化三维模型自动构建三部分。数据预处理主要是为工程创建做准备，预处理主要是更改影像名、对影像进行匀光匀色、整理POS数据等。由于5镜头数据，一般每个镜头获取的对应影像名字是相同的，这样不便于进行后期处理，因此需要对影像进行重命名。本次使用拖把更名器对影像进行重命名，重命名后的影像命名都是唯一的。为了提升后期建模成果的质量，这里对影像进行匀光匀色处理。首先选择一张地物信息丰富，具有代表性的影像，加载到PhotoShop软件中，通过对影像亮度、对比度、色调、饱和度等属性的调节，得到高质量的调色后的影像，并对处理过程进行“动作”记录，然后按照同样的方式，对所有影像进行批处理，得到高质量的原始影像。倾斜相机在作业过程中，其POS数据是通过下视镜头的相机来记录的，前面对5镜头影像均进行了更名，因此这里需要对POS数据进行更名，利用查找替换的方式，快速完成POS数据的更名，至此，工程创建之前的工作就完成了。

结语

使用无人机航拍采集地物数据时，采用倾斜、多镜头拍摄可以获得更加丰富、精确的信息，在此基础上转化生成的实景三维模型，可以更加清晰、准确地展示测区的地面情况，从而提高了模型的参考价值。

参考文献

[1]罗万波.基于倾斜摄影测量技术泉州台商投资区实景三维建模及改进研究[J].测绘与空间地理信息,2020(12):4-5.

[2]陈大凯,陈竹安.基于多旋翼单镜头无人机的城市实景三维重建及精度评估[C]第十九届华东六省一市测绘学会学术交流会.2017.