基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模及其精度分析

田 超， 王書陽

(1.深圳市盛鵬勘測技術有限公司，廣東 深圳 518057； 2.德州市測繪研究院，山東 德州 253000)

近年來，“數(shù)字城市”在國內逐漸興起，作為其最基礎的數(shù)據(jù)載體，城市實景三維模型的構建技術也得到了快速發(fā)展。然而，在眾多三維建模技術中，傳統(tǒng)的航空攝影測量雖能高效大范圍地獲取地面三維數(shù)據(jù)，但僅能得到物體的空間坐標和頂面信息，對于側面紋理則難以獲取，由此造成三維建模過程非常復雜，并且缺乏有效的地面三維信息融合度而效果不佳。為了改變這一現(xiàn)狀，傾斜攝影測量技術應運而生，該技術區(qū)別于常規(guī)的航空攝影測量，它通過飛行平臺搭載多個鏡頭從不同角度來采集地面物體數(shù)據(jù)，在高效獲取地面高分辨率正攝影像的同時還能得到側面紋理，再經過融合、定位、建模等相關步驟，就可快速生成真實直觀的三維實景模型。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 無人機遙感技術

無人機是通過無線電遙控設備或自動化程序進行操控的不載人飛行器，包括多旋翼、固定翼、飛艇、直升機等機種，其具有機動靈活、結構簡單、使用成本低、快速響應等特點。無人機遙感是以無人機作為航空攝影平臺，在快速獲取空間遙感信息的同時，還能對遙感數(shù)據(jù)進行全自動化的處理、建模和應用分析，在當今測繪領域有著無可比擬的應用優(yōu)勢。

1.2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是通過將多鏡頭相機安裝在同一個飛行平臺上(如圖1所示，一般為5鏡頭)，從四個傾斜和一個豎直共五個方向同時獲取地面物體的影像，其中和地面垂直的一組影像稱為正片，與地面成一定角度的四組影像稱為斜片。在拍攝相片時，同時記錄飛行器的航速、航高、旁向和航向重疊等參數(shù)，在一個時間段內，飛行器可連續(xù)拍攝出多組影像重疊的像片，內業(yè)人員可以在三張像片上找到同一個地物，并且選擇其中最清晰的一張像片進行紋理制作，這樣就可以輕松地分析出建筑物的結構。所獲影像再經過幾何糾正、區(qū)域網聯(lián)合平差、傾斜影像匹配、DSM點云生成、TIN構建、紋理映射等步驟處理，最終生成真實直觀的實景三維模型。傾斜攝影測量的影像數(shù)據(jù)不但能反映地面物體的真實情況，而且還可以通過測量定位技術，將地理信息和屬性信息嵌入到影像中，從而使用戶獲得全方位的體驗，讓遙感影像的應用范圍得到極大地拓展。

圖1 多角度航空影像獲取示意圖

1.3 無人機傾斜攝影測量三維建模技術流程

基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模技術流程如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影測量三維建模技術流程圖

2 項目實施

2.1 項目背景

根據(jù)某地區(qū)數(shù)字城市規(guī)劃建設的需要，深圳市盛鵬勘測技術有限公司參與了該市實景三維數(shù)據(jù)生產項目，該測區(qū)近似正方形形狀，南北長約15.3 km，東西長約14.2 km，共需要構建約200多平方公里的多層次多細節(jié)的中心城區(qū)精細三維模型，為社會公眾和城市管理提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務。

2.2 傾斜影像獲取

本次作業(yè)由南方“天巡”無人機執(zhí)飛，飛機攜帶SWDC-5傾斜數(shù)字航空攝影相機、POS機載定位定姿系統(tǒng)，航線設計采用專用飛行管理系統(tǒng)和航攝計劃軟件；航帶旁向重疊度和航向重疊度都設定為70%，影像地面分辨率為0.06 m，分別從四個傾斜和一個豎直方向進行拍攝,獲取地面物體的多視角影像以及側面紋理，同時通過POS系統(tǒng)得到所有像片的外方位元素。

2.3 傾斜影像處理

對采集到的影像進行格式轉換、光學畸變糾正、像片色彩均衡、區(qū)域網聯(lián)合平差、傾斜影像匹配，通過處理得到最終的航攝成果，為后續(xù)的數(shù)字產品制作奠定基礎。

2.4 實景三維建模

利用PhotoMesh7.0實景建模軟件進行三維模型自動批量構建。PhotoMesh7.0是融合計算機視覺、圖形學、航空攝影測量學等高新技術，可將不同格式、不同分辨率的二維像片，經過DSM點云生成、構建TIN、紋理映射等步驟，快速批量地構建成帶有紋理的精細三維網格模型。

2.5 精度分析

為了分析三維模型的精度，外業(yè)航測階段在測區(qū)范圍內均勻布設了10個檢查點。利用網絡RTK分別測量出這些點的坐標，同時在三維模型上讀取檢查點的坐標，以外業(yè)實測坐標為真值，讀取的坐標為計算值，統(tǒng)計得出兩者之間的較差，統(tǒng)計結果如表1所示，最后得出三維模型的精度。

表1 三維模型精度統(tǒng)計表(單位：m)

從表1數(shù)據(jù)得出，本項目三維模型平面位置最大誤差為0.334 m，中誤差為0.206 m；高程最大誤差為0.395 m，中誤差0.180 m，精度符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)的規(guī)定。

2.6 成果展示

本項目通過無人機傾斜攝影技術只用了4個月時間就完成了所有建模工作，相比過去的人工建模方式大大縮短了工期，提高了效率。圖3為其中某一副實景三維模型成果。

圖3 某一幅實景三維模型成果

3 結語

與傳統(tǒng)三維建模方法相比，無人機傾斜攝影測量技術在高清晰度像片自動匹配建模技術上，改變了常規(guī)模式帶來的許多弊端，實現(xiàn)了快速、自動并一體化地構建城市三維模型，大大降低了建模的成本，顯著提高了生產效率，應用優(yōu)勢明顯，該方法適合大范圍三維模型的構建。通過應用，發(fā)現(xiàn)在樹林或高大建筑物集中地區(qū)，無人機傾斜攝影容易受到遮擋，這時還需通過常規(guī)技術手段來補充信息，所以該技術方案還需在進行開展的三維城市建模生產項目中不斷改進和完善。