無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模和應(yīng)用

呂 慧 娟

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì),山西 太原　030031)

1　傾斜攝影定義

傾斜攝影是近年來(lái)航測(cè)領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)航測(cè)采集的垂直攝影數(shù)據(jù)，通過(guò)新增多個(gè)不同角度鏡頭，獲取具有一定傾斜角度的傾斜影像。應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)，可同時(shí)獲得同一位置多個(gè)不同角度的、具有高分辨率的影像，采集豐富的地物側(cè)面紋理及位置信息[1]?；谠敱M的航測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視影響匹配等一系列操作，批量建立高質(zhì)量、高精度的三維模型。

傾斜攝影技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

2　傾斜攝影測(cè)量總體流程

2.1　數(shù)據(jù)的獲取

傾斜攝影技術(shù)的主要目的是獲取地物多個(gè)方位(尤其是側(cè)面)的信息并可供用戶多角度瀏覽，實(shí)時(shí)量測(cè)，三維瀏覽等獲取多方面的信息。傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)不同種類的飛行器，搭載不同型號(hào)的傾斜相機(jī)來(lái)進(jìn)行采集從而實(shí)現(xiàn)覆蓋高、中、低空的，滿足不同面積、比例尺和分辨率需求的影像采集[2]。

2.1.1無(wú)人機(jī)選擇

傾斜攝影三維模型的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)因素：一是影像質(zhì)量(影像地面分辨率和影像清晰度);二是照片數(shù)量(對(duì)同一區(qū)域的照片覆蓋度)[3]。從實(shí)際建模效果來(lái)看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測(cè)的三維模型，建筑區(qū)傾斜影像的分辨率要達(dá)到2 cm～3 cm、一般地區(qū)要達(dá)到5 cm～6 cm，照片的平均覆蓋度要達(dá)到30° 重疊以上。因此，多旋翼無(wú)人機(jī)是進(jìn)行建筑區(qū)傾斜攝影的首選，一般地區(qū)的傾斜攝影則可選擇小型電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。

2.1.2傾斜攝影相機(jī)

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的傾斜攝影相機(jī)選用固定式五鏡頭相機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，建模效果與相機(jī)數(shù)量無(wú)關(guān)，與照片數(shù)量和相鄰航線飛行的間隔時(shí)間相關(guān)，采用雙鏡頭擺動(dòng)式傾斜攝影系統(tǒng)，僅用兩臺(tái)相機(jī)就能達(dá)到固定式五鏡頭相機(jī)的效果，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、維修使用方便，成本也較低，因此采用雙相機(jī)、三相位擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的傾斜攝影系統(tǒng)綜合性價(jià)比最優(yōu)，是多旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影的首選。攝影時(shí)，傾斜相機(jī)的角度在20°～30°之間較為合適。45°傾斜角安置的相機(jī)的照片邊緣的分辨率過(guò)低[4]。

2.1.3航線設(shè)計(jì)

如使用多旋翼無(wú)人機(jī)和雙鏡頭擺動(dòng)式傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行建筑區(qū)2 cm分辨率的傾斜攝影，航線設(shè)計(jì)的基本要求是：航攝分區(qū)盡量為矩形，航線沿矩形區(qū)域長(zhǎng)邊方向敷設(shè)，實(shí)際飛行范圍應(yīng)超出任務(wù)范圍1個(gè)航高，分區(qū)內(nèi)地形高差小于1/2航高；航線數(shù)量為雙數(shù)且不少于6條，單航線最大長(zhǎng)度按多旋翼無(wú)人機(jī)有效續(xù)航里程的40%計(jì)算；相對(duì)航高平均按100 m設(shè)計(jì)，當(dāng)航攝分區(qū)內(nèi)有超過(guò)30 m的建筑物時(shí)，最小相對(duì)航高應(yīng)按100 m加上建筑物高度計(jì)算；航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。

如使用雙相機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)普通地區(qū)進(jìn)行5 cm分辨率的傾斜攝影，航線設(shè)計(jì)的基本要求是：航攝分區(qū)盡量為矩形，沿矩形區(qū)域長(zhǎng)邊方向和短邊方向分別敷設(shè)航線，呈格網(wǎng)狀(按十字交叉飛行)，實(shí)際飛行范圍應(yīng)超出任務(wù)范圍1個(gè)航高，分區(qū)內(nèi)地形高差小于1/2航高；航線數(shù)量應(yīng)為雙數(shù)且不少于6條，單航線最大長(zhǎng)度按無(wú)人機(jī)有效續(xù)航里程的40%設(shè)計(jì)，最大長(zhǎng)度不超過(guò)5 500 m；相對(duì)航高平均按300 m設(shè)計(jì)，最小相對(duì)航高應(yīng)高于攝區(qū)內(nèi)容其他構(gòu)筑物100 m以上；航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。視相機(jī)參數(shù)和具體環(huán)境而定[5,6]。

2.1.4飛行作業(yè)

每個(gè)航攝分區(qū)應(yīng)統(tǒng)一進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，用在同一航線設(shè)計(jì)文件中刪除多余航線的方法確定每架次的飛行參數(shù)文件。外出作業(yè)至少應(yīng)配備10組電池，或配置便攜式發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)充電，以提高作業(yè)效率。無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地應(yīng)盡量靠近攝區(qū)，以減少無(wú)效飛行距離。作業(yè)小組123配置：1輛SUV汽車，2架多旋翼無(wú)人機(jī)，3名成員(地勤、飛手、助理)。

2.1.5成果精度

傾斜攝影三維模型的建模精度與影像分辨率直接相關(guān)，一般為1∶3左右。傾斜攝影三維模型的平面量測(cè)精度和相對(duì)高程量測(cè)精度基本一致。如果影像分辨率為2 cm，則三維模型的建模精度一般為5 cm～10 cm，相應(yīng)的量測(cè)精度也達(dá)到10 cm以內(nèi)，與外業(yè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的精度相當(dāng)，遠(yuǎn)高于1∶500地形圖的精度。如果影像分辨率為5 cm，則三維模型的建模精度一般為15 cm～20 cm，相應(yīng)的量測(cè)精度也達(dá)到20 cm以內(nèi)，高于1∶1 000地形圖的精度。

2.2　數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用

2.2.1空三加密及真正射影像

獲取多視影像后，需要對(duì)其進(jìn)行勻光勻色、幾何校正、空三加密、DSM生成、真正射影像生產(chǎn)等處理。目前的主流軟件還是用國(guó)外的街景工廠(Street Factory)等來(lái)處理。

2.2.2三維建模

通過(guò)專用測(cè)繪軟件把傾斜攝影獲取的傾斜影像加工處理，可以生產(chǎn)傾斜攝影模型。模型有兩種成果數(shù)據(jù)：?jiǎn)误w對(duì)象化的模型和非單體化的模型數(shù)據(jù)。處理流程見(jiàn)圖2。

單體化的模型，利用傾斜影像豐富可視細(xì)節(jié)，結(jié)合現(xiàn)有的三維線框模型，通過(guò)紋理映射，生產(chǎn)三維模型。這種方式生產(chǎn)的模型數(shù)據(jù)是對(duì)象化的模型，單獨(dú)的建筑物不僅可以刪除、修改及替換，其紋理也可以修改。國(guó)內(nèi)比較有代表性的公司如天際航、東方道邇等均可以生產(chǎn)該類型的模型，并形成了自己獨(dú)特的工藝流程[7],見(jiàn)圖3?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，可以統(tǒng)計(jì)建筑拆遷面積、檢測(cè)城市地物變化或?qū)崟r(shí)查詢各種屬性如建筑物的建造時(shí)間、高度、權(quán)屬等信息；道路的寬度、路況査詢等。

非單體化的模型，獲得傾斜影像后，用專業(yè)的自動(dòng)化建模軟件，通過(guò)多視角影像的幾何校正、聯(lián)合平差等處理流程，基于影像運(yùn)算生成超高密度點(diǎn)云，構(gòu)建TIN模型，并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型[8]。影像提取的中間數(shù)據(jù)(點(diǎn)云)效果圖見(jiàn)圖4。此方法采用全自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，模型生產(chǎn)周期短、成本低。這種全自動(dòng)化的生產(chǎn)方式減少了建模的成本，大幅度提高了模型的生產(chǎn)效率。目前國(guó)內(nèi)比較有代表性的技術(shù)有上海埃弗艾代理的(Smart3DCapure)，國(guó)內(nèi)使用該軟件的公司單位有上海航遙、四維數(shù)創(chuàng)、湖南第二測(cè)繪院等。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，多在地

形地貌、土方量計(jì)算、通訊和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.3　大比例尺測(cè)圖

國(guó)內(nèi)外已有較多軟件可以針對(duì)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行測(cè)圖級(jí)精度的作業(yè)。成圖速度快，精度高而均勻，成本低，特別適用于城市密集區(qū)的大面積成圖，但前期投入較大，基本由一些大單位來(lái)承擔(dān)。如武漢天際航公司開(kāi)發(fā)的DP-Modeler。它既可通過(guò)直接對(duì)原始影像交互式重建，亦可對(duì)Mesh模型(街景工廠、Smart3D成果)進(jìn)行精加工，輸出精細(xì)化的三維數(shù)字城市產(chǎn)品。通過(guò)集成超低空傾斜攝影或手持相機(jī)近景拍攝，配合全站儀實(shí)測(cè)少量控制點(diǎn)，可達(dá)到厘米級(jí)精度矢量測(cè)圖，大幅度降低外業(yè)工作強(qiáng)度。但由于無(wú)人機(jī)相較于大飛機(jī)而言在飛行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精確性上有很大差別，同時(shí)容易出現(xiàn)影像畸變，要進(jìn)行正確的影像鑲嵌。

3　數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在智慧三維城市建設(shè)中，優(yōu)于三維實(shí)景更能直觀的展現(xiàn)界面真實(shí)環(huán)境信息，故傾斜攝影三維數(shù)據(jù)可為智慧城市、國(guó)土、軍事、災(zāi)害應(yīng)急、農(nóng)林、旅游等多種行業(yè)提供二三維一體化的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)GIS平臺(tái)軟件對(duì)其進(jìn)行深度應(yīng)用開(kāi)發(fā)，為各類行業(yè)用戶提供完整、系統(tǒng)的解決方案與服務(wù)。