“傾斜航攝+地面拍照”空地融合實(shí)景三維建模技術(shù)

陳麗瓊，王亞軍

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

隨著無人機(jī)航攝技術(shù)的成熟、高精度差分系統(tǒng)的應(yīng)用、實(shí)景三維自動化建模軟件的普及，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)現(xiàn)自動化實(shí)景三維建模的技術(shù)已成為近年來較為成熟的三維模型生產(chǎn)技術(shù)了，這種模式生成的三維模型成果應(yīng)用也越來越廣泛。

傾斜攝影測量技術(shù)是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)5個(gè)不同的角度采集影像[1]。無人機(jī)傾斜攝影自動化實(shí)景三維建模生產(chǎn)的三維模型成果，較為普遍的應(yīng)用就是：傾斜實(shí)景三維模型進(jìn)入各種信息系統(tǒng)，成為各種專題信息三維表達(dá)的位置參考和屬性掛接載體。這一應(yīng)用的出現(xiàn)，使得實(shí)景三維模型的功能應(yīng)用從遠(yuǎn)觀升級到近看。然而，單獨(dú)使用無人機(jī)傾斜攝影自動化生成的實(shí)景三維模型，遠(yuǎn)觀非常漂亮逼真，一旦鏡頭拉近到地表視角近看，就會發(fā)現(xiàn)三維模型接近地面的部分，紋理模糊且不清晰、模型體凹凸不平甚至失真。為了解決這種矛盾，越來越多的建模單位采用將實(shí)景三維建筑模型體單體化的方式，這使得模型漂亮逼真了，但是由于坐標(biāo)數(shù)據(jù)和模型紋理數(shù)據(jù)的采集與處理均需要大量的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作，這使得不僅工作量大，而且周期較長[2]，人工成本明顯增多，建模效率大大降低。為了解決新出現(xiàn)的矛盾，本文研究了一種“無人機(jī)傾斜航拍+地面定點(diǎn)拍照”空地融合自動化實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模的解決方案，將空中與地面視角拍攝的照片優(yōu)勢互補(bǔ)，滿足遠(yuǎn)觀近看的瀏覽需求[3]。利用無人機(jī)傾斜攝影照片和地面定點(diǎn)拍照的照片，進(jìn)行空地融合空三，最后生成遠(yuǎn)觀近看都漂亮逼真的高精度實(shí)景三維模型。該技術(shù)具有獲取數(shù)據(jù)真實(shí)、精度高、速度快的特點(diǎn)和優(yōu)勢，可以真實(shí)映射我們所處的世界三維環(huán)境[4]。

2 空地融合解決方案簡要流程

如圖1所示：

圖1 空地融合解決方案流程圖

3 空地融合實(shí)景三維建模解決方案技術(shù)過程

本方案大致流程是：早晨早起時(shí)，光照不符合航飛作業(yè)，此時(shí)可以進(jìn)行像控點(diǎn)布測；在光照合適時(shí)進(jìn)行低空高分辨率無人機(jī)傾斜航拍；在進(jìn)行航飛時(shí)，飛行過程留一人進(jìn)行飛機(jī)監(jiān)控，剩下的人員進(jìn)行目標(biāo)建筑物地面定點(diǎn)拍照，這樣能最大限度地進(jìn)行人員利用。然后回到內(nèi)業(yè)，運(yùn)用該傾斜航片配以實(shí)測地面像控點(diǎn)進(jìn)行高精度區(qū)域網(wǎng)傾斜空中三角測量，形成帶真實(shí)坐標(biāo)的高精度傾斜空三成果；同時(shí)運(yùn)用另外一臺電腦利用地面定點(diǎn)拍攝的照片進(jìn)行無控制空中三角測量，形成不帶真實(shí)坐標(biāo)的空三成果；接著運(yùn)用添加連接點(diǎn)的方式，將兩臺電腦中無坐標(biāo)的地面空三成果配準(zhǔn)到高精度傾斜空三成果中。最后自動進(jìn)行空地融合區(qū)域網(wǎng)空三平差解算，并生成高精度、遠(yuǎn)觀逼真、近看真實(shí)美觀的實(shí)景三維模型。

3.1 無人機(jī)傾斜航拍

無人機(jī)傾斜攝影可采用多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行，飛前利用已有的參考資料(地形圖、影像圖、DEM等)進(jìn)行航線的規(guī)劃和像控點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證航飛的有效與安全。無人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)一次曝光可獲取地面5個(gè)方向的高清晰度照片。無人機(jī)上搭載一套ppk后差分系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)記錄曝光點(diǎn)位置信息，配合GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)模擬虛擬基站數(shù)據(jù)，通過后差分解算能獲取照片曝光時(shí)刻的準(zhǔn)確空間位置，可減少地面控制點(diǎn)的同時(shí)，大大提高后續(xù)區(qū)域網(wǎng)空三加密精度，保證基礎(chǔ)資料的可靠性。

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

無人機(jī)傾斜航拍技術(shù)參數(shù) 表1

要求：①航片成果數(shù)據(jù)、PPK數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)數(shù)量一致；

②航片色調(diào)基本一致、細(xì)部紋理清晰、對比度及曝光量適當(dāng)，無條帶、色斑等缺陷。

3.2 地面定點(diǎn)拍照

拍照法則：多角度、高重疊、高分辨率。

拍照方法：圍繞目標(biāo)建筑物四周，等間距逆時(shí)針或順時(shí)針拍照；相鄰兩個(gè)拍照點(diǎn)正對目標(biāo)物拍照的照片保證有60%重疊；每個(gè)拍照點(diǎn)拍3張照片，3張照片內(nèi)每張照片夾角小于15°。

拍攝方法如圖2所示：

圖2 地面定點(diǎn)拍照方法示意圖

圖中：1、2、3、4、5、6是拍照點(diǎn)位；照片1、2、3、4、5、6為相鄰點(diǎn)位主視圖照片，他們之間重疊度大于60%，以此來決定拍照點(diǎn)位的間距；角a小于15°；點(diǎn)位上的三張照片為左片(A)、主片(5)、右片(B)，主片為正對目標(biāo)物的照片。拍照點(diǎn)位根據(jù)主片重疊度決定，轉(zhuǎn)角上的點(diǎn)位需要加密1倍，如圖中7、8、9、10、11點(diǎn)位。

3.3 像控點(diǎn)布測

以3 cm分辨率為例。每平方公里布設(shè)4個(gè)～6個(gè)地面像控點(diǎn)點(diǎn)位，點(diǎn)位選擇開闊無遮擋的區(qū)域，依據(jù)航空攝影測量技術(shù)要求均勻布設(shè)?？筛鶕?jù)像控點(diǎn)布設(shè)方案在無明顯特征區(qū)域布設(shè)靶標(biāo)。

利用似大地水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行GNSS RTK高程測量。為進(jìn)一步保證像控點(diǎn)的測量精度，實(shí)地測量時(shí)，采用三角支架穩(wěn)定GPS天線，采集數(shù)據(jù)時(shí)確保平面收斂值小于 2 cm，高程收斂值小于 3 cm，每個(gè)像控點(diǎn)至少采集5個(gè)測回進(jìn)行內(nèi)符合精度檢驗(yàn)，取各測回的平均值作為像控點(diǎn)坐標(biāo)成果，確保像控點(diǎn)測量精度平面優(yōu)于 2 cm，高程優(yōu)于 3 cm。像控點(diǎn)平面位置和高程測量均采用GPS-RTK方法，兩者同步進(jìn)行。

3.4 區(qū)域網(wǎng)傾斜空三加密

本方案采用多視角相機(jī)鏡頭獲取多角度影像，通過全自動化后期處理軟件Contextcapture快速獲取城市實(shí)景三維模型[5]。首先無人機(jī)航拍照片數(shù)據(jù)整理后，在區(qū)域網(wǎng)空三加密軟件中創(chuàng)建一個(gè)測區(qū)block1，導(dǎo)入航片數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行像控點(diǎn)刺點(diǎn)，最后進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)多鏡頭聯(lián)合平差傾斜空三加密，得到帶真實(shí)坐標(biāo)的傾斜空三成果。

3.5 區(qū)域網(wǎng)地面照片空三加密

本方案采用普通數(shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)拍攝獲取照片，然后使用Contextcapture軟件進(jìn)行基于多視照片的三維重建[6]。首先將地面定點(diǎn)拍照的照片清除廢片后，然后在區(qū)域網(wǎng)空三加密軟件中創(chuàng)建一個(gè)測區(qū)block2，導(dǎo)入照片進(jìn)行地面照片空三加密解算，得到無坐標(biāo)的地面照片空三加密成果。

3.6 添加連接點(diǎn)

在block1中，在兩類空地照片同一目標(biāo)建筑上同名位置選取每個(gè)墻面至少3個(gè)點(diǎn)作為同名連接點(diǎn)，選點(diǎn)時(shí)選取在地面照片上容易找到并合理分布的點(diǎn)，然后進(jìn)行刺點(diǎn)，并截圖保留點(diǎn)位圖；最后導(dǎo)出這些連接點(diǎn)作為block2的控制點(diǎn)。

在block2中，把block1中刺好的連接點(diǎn)作為控制點(diǎn)導(dǎo)入加密平臺，根據(jù)保留的點(diǎn)位圖進(jìn)行刺點(diǎn)，然后選擇剛性配準(zhǔn)運(yùn)行空三解算。此時(shí)block1與block2就通過刺入的連接點(diǎn)做了匹配，使得block2具有了跟block1相同的坐標(biāo)位置信息。

3.7 空地融合自動創(chuàng)建傾斜實(shí)景三維模型

將經(jīng)過最后空三解算的兩個(gè)block1測區(qū)與block2測區(qū)的空三成果進(jìn)行merge合并，然后創(chuàng)建新的生產(chǎn)項(xiàng)目，提交生產(chǎn)生成空地融合后的實(shí)景三維模型。

此時(shí)生成的實(shí)景三維模型具有傾斜三維模型的上空效果，也具有接近地面視角的效果，尤其在很多有通道的高樓建筑物方面，鏤空的部分無須進(jìn)行人工處理，就跟實(shí)地一模一樣了。

4 總結(jié)及展望

隨著三維建模技術(shù)的不斷發(fā)展，三維數(shù)字城市正成為數(shù)字城市到智慧城市升級的主要建設(shè)內(nèi)容之一，日益滲透到整個(gè)城市生活的方方面面[7]。作為新型三維模型制作手段，空地融合實(shí)景三維建模技術(shù)將在城市管理、國土規(guī)劃、土地確權(quán)、宅基地管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。其中，傾斜實(shí)景三維模型進(jìn)入各種專題信息平臺的應(yīng)用最具代表性。長沙近年來開展的地下管線三維信息平臺，都是以傾斜三維模型為位置表述，輔助地下各種管線三維的呈現(xiàn)和分析，這將傳統(tǒng)的二維管線管理提升到可視化三維的高度。近年來開展的不動產(chǎn)信息管理，由于用地信息和自然幢信息的二維表述，使得存量的不動產(chǎn)信息掛接不直觀方便且容易出錯(cuò)，這將迫切需要三維不動產(chǎn)管理模式來改變原有的二維管理模式。作為自動化程度較高的“無人機(jī)傾斜航拍+地面定點(diǎn)拍照”實(shí)景三維建?？盏厝诤辖鉀Q方案，將是最合適的城市三維模型生產(chǎn)技術(shù)，它將最大限度地縮短工期，降低成本，提高可視質(zhì)量和位置精度。這種新的概念框架、方法和技術(shù)，將為城市的管理和發(fā)展插上智能化的翅膀。