无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用

无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用

李,鑫

沈阳金图空间科技有限公司    辽宁省沈阳市    110167 

摘要：城市实景三维模型是促进智慧城市进一步发展的基础和途径。城市实景三维模型中的各种数据，是了解城市各区域空间之间几何关系的关键。完成城市实景三维建模，并将其存储到计算机设备当中，可以提高信息的智能化与数字化发展水平，实现城市规划设计的数字化发展。另外，对城市实景三维模型进行科学合理地应用，还可以在城市中的各个区域内进行城市空间几何关系的分配，实现参数与单个对象的联系。由此可见，城市实景三维建模研究具有较强的现实意义。

关键词：无人机；倾斜摄影；城市；实景；三维建模

中图分类号：P231文献标识码：A

引言

城市发展逐渐从以往的数字城市向智慧城市发展转型，在城市规划中二维矢量数据 GIS 应用则难以满足更加精准且高标准的城市测绘工程。构建更加直观的真实的且精准度相对较高的城市三维实景模型则受到了社会广泛热议。无人机倾斜摄影技术的出现，则能够解决以往在城市三维实景建模中存在的问题，借助于多个传感器结构，更加便捷地获取地物数据，具有广泛的应用前景。

1 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量将近景摄影测量技术与常规无人机摄影测量技术相融合，在无人机飞行平台上搭载五个不同方向的摄像头，其中一个垂直向下，四个倾斜角度，可获取不同角度的地物影像。垂直镜头获取的正射影像可以制作4D产品[6,7]，倾斜镜头可以从不同角度获取建筑物的纹理，借助倾斜摄影测量数据处理平台，可高效的构建位置准确、纹理清晰的三维地物模型。现阶段，倾斜摄影测量构建的三维模型兼容多种GIS应用，可以实现网络共享与应用。与传统的航空摄影测量相比，倾斜摄影测量从不同角度获取地物纹理及高程，可以从多面反映地物的真实情况，从三维模型上可以直接量取长宽高、坡度、角度等参数[8]，极大的弥补了正射影像测量的不足。但是，由于城市中复杂的建筑物、构筑物以及树木植被的影响，对于遮挡区域也需要人工采用补测的方式将三维模型建立的更加完整，补充缺失区域。

2 基于无人机倾斜摄影测量城市实景三维建模的流程

在无人机倾斜摄影测量构建城市实景三维模型的工程中，主要是应用到当前最为先进的无人机飞行器作为搭载平台，从而实现更加精准稳定的安全飞行测量工作。由智能无人机携带 5 镜头数码高清摄影相机，在空中进行航测飞行拍摄采集地物数据。而完成基于城市整体的三维实景模型的工件，还需要完成以下流程，首先来讲，则是需要在无人机的航测飞行过程中采集倾斜影像数据。包括外业航飞以及像控测量等，形成更加完善的数据采集工作，完成多视角状态下的三维空中三角测量，并结合真三维自动模型生产，形成完整的城市实景三维模型。而在自动模型生产环节中，分为了三个细化流程，分别为重建模型、修复模型以及生成城市实景三维模型等相应的环节。

3 无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的具体应用

3.1 航线规划

路线规划是一项准备工作，必须在数据收集之前完成。路线规划越合理，数据采集的质量就越高。与普通摄影工作相比，无人机图像数据采集具有一定的特殊性。例如，无人机飞行时，工作人员可以直接控制普通的摄影工作，从而拍摄目标物体的不规则照片。而无人机倾斜摄影技术的应用，不仅需要无人机保持相对平稳的飞行状态，还要使其沿着规定的路线，在特定的高度范围内飞行。只有对无人机的飞行路线进行合理地规划，才能够对无人机的飞行予以有效地控制。另外，在数据采集过程中，为了保证影像的均匀性与稳定性，无人机还必须要保持均匀、平稳的运行状态，这同样离不开相应的规划工作。要想确保城市实景三维建模成功，就必须要对影像的采样率与重叠率进行严格地控制。单纯依靠人工操作遥控器飞行，根本无法优化无人机的飞行质量，不能保证数据的采集质量，甚至在后期还需要通过重新飞行进行数据的采集。鉴于此，必须要在正式开始数据采集之前，对航线进行合理地规划。矩形是最理想的测区形象，也是传统航空摄影工作中使用的测区形状。针对矩形测区的航线规划难度较低，只需要选择平行航线折返拍摄方式即可，但是在实际城市测绘工作中，测区的形状并不都是矩形，更多的是不规则的多边形和长条带，而这就会使航线规划难度增大。

3.2 建筑物模型

通过立体像对获取建筑物房顶的高程及轮廓面，测量房顶面到DEM的距离，将建筑物直接拉升到地面得到建筑物的白模数据。（1）建筑物顶部轮廓高程。通过DLG数据直接获取建筑物的顶部轮廓数据，通过空三成果数据在立体采集软件中恢复建筑物的立体像对，获取建筑物的准确高度。对于平顶建筑物可直接量取到建筑物顶面，将测量获取的各建筑物高程赋值到建筑物的顶部范围面上，可以得到带有高程数据的平顶建筑物顶部轮廓；对于尖顶或复杂建筑物则需要量取顶尖结构到屋檐的高度，并通过立体像对采集尖顶房屋到顶部边缘的准确房脊线，并将测量数据添加到各房脊线轮廓上，得到尖顶或复杂建筑物的房顶。（2）制作实体模型。通过将TIN数据内插获取DEM数据，对DEM数据进行修整获的DEM成果。根据获取的建筑物顶部轮廓高程到DEM的距离，将房顶直接下拉到地面，建立实体模型。

3.3 无人机空中三角测量点的加密方式

在应用搭载了5个摄像头相机的无人机进行城市测量的过程中，摄像系统会对数据进行自动化加密处理，所以，这种测量方式又被叫做三角测量点。在摄像过程中，投影中心点、地面点和像点之间会形成一个三角形，将这3点连接在一起，就形成了一个封闭三角形，每张单独提取的像片都可作为一个解算单元，每张像片都可以找到与其他像片之间的公共点，同时参照公共点和野外控制点，将所有像片中的光束连接在一起，并进行整体平差和加密坐标处理，就完成了空中三角测量点的加密。这样一来，技术人员在对坐标加以应用的时候，就可以借助不同像点的观测值形成相应的误差方程，利用最小二乘法解方程进行平差，就可以从每一张像片中获取6个不同的参数，这些参数就是相应的坐标。

3.4 补测纹理匹配

对于建筑物的顶面和侧面可以通过倾斜影像直接匹配纹理，而对于建筑物旁的道路底面则需要人工进行干预，采用补拍的方式进行影像贴图。无人机是从空中获取地物影像，底面影像由于树木及高大建筑物遮挡，无人机获取的地面影像并不满足直接贴附三维模型的条件，因此需要人工补充获取，采用此种方式获取的地面影像更加真实。通过Photoshop软件的畸变矫正工具对获取的影像进行处理，消除因影像镜头拍摄时产生的角度偏差，校正后的地面影像线条间的位置关系正确，无角度偏差和存在扭曲现象。对于地面有车、人或其它遮挡物的区域进行影像处理，采用Photoshop软件将道路面修整获取地面原貌。采用相同方法对具有代表性的门店广告、高架道路、交通标志等进行补测。

结束语

综上所述，随着城市不断地发展建设，为了能够对城市形成更加清晰直观的规划效果，需要借助于先进的航测技术，对城市整体形成精准的三维实景模型。无人机倾斜摄影技术的应用，能够形成更加精准的数据采集以及建模效果，纹理丰富且模型更加真实，有效降低了以往城市三维实景建模中的成本投入，具有广泛应用前景。

参考文献

[1] 叶思远.旋翼无人机倾斜摄影测量技术在三维实景建模中的应用[J].测绘与空间地理信息，2021，44(1):222-224.

[2] 张秀雷，袁中朝，林士杰，等.浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用[J].科学与信息化，2021（27）：85-87.