無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

◎曾聰 唐鈺涵

三維公路勘察設(shè)計(jì)本質(zhì)是三維實(shí)景地模型與工程設(shè)計(jì)模型的結(jié)合。而實(shí)景地理模型，作為公路的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)起著至關(guān)重要的作用，直接影響整個(gè)公路勘察設(shè)計(jì)模型的建立。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一種高精度、高效率、數(shù)據(jù)量小以及真實(shí)感強(qiáng)的建模手段，近幾年得到了快速發(fā)展，為實(shí)景地理模型快速建立打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)是指在同一飛行平臺(tái)下搭載傾斜相機(jī)，在同一曝光點(diǎn)多角度獲取相同地物傾斜影像，獲取豐富的地物信息，可從多角度分析地物，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像只能從垂直方向分析地物的缺陷，能夠獲取建筑物的側(cè)面紋理信息。

一、傾斜攝影測(cè)量建模關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量建模關(guān)鍵技術(shù)主要包含：影像匹配、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、密集點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)以及紋理映射。

1.影像匹配。傾斜攝影與傳統(tǒng)正攝相比，具有多角度獲取影像、影像冗余信息豐富的優(yōu)勢(shì)，可在多視影像中利用冗余信息修正錯(cuò)誤匹配，須采用多匹配基元保證影像匹配精度。由于基于特征的影像匹配具有適應(yīng)力強(qiáng)、匹配精度較高的特點(diǎn)，所以選擇特征匹配算法。

2.多視影像聯(lián)合平差。多視影像聯(lián)合平差基于多視圖幾何原理，結(jié)合飛行平臺(tái)上獲取的POS外方位元素，首先通過影像匹配方法獲取多視影像精確外方位元素，再以特征匹配算法獲取影像特征匹配結(jié)果，然后建立包括像控點(diǎn)、POS數(shù)據(jù)在內(nèi)的誤差方程，聯(lián)合解算以保證平差精度。由于光束法平差模型理論較嚴(yán)密，加密精度較高，因此使用光束法作為空中三角測(cè)量平差模型?？罩腥菧y(cè)量過程完成后，即生成帶有地物紋理信息的自動(dòng)連接點(diǎn)。

3.多視影像密集匹配。多視影像密集匹配是在空三加密形成的自動(dòng)連接點(diǎn)基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)密集匹配算法構(gòu)建密集點(diǎn)云。多視影像密集匹配采用多基元匹配算法，建立多個(gè)攝影基線，分別對(duì)連接點(diǎn)完成匹配獲取“精確解”。

4.密集點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)。

傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型本質(zhì)為網(wǎng)格面模型，因此密集點(diǎn)云用于構(gòu)建網(wǎng)格面。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有高程信息，在點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)過程中采用不規(guī)則三角網(wǎng)。密集點(diǎn)云通過八叉樹算法構(gòu)成三角面片，任意地形地物信息均能由三角面片表示，所有的三角面片構(gòu)成一個(gè)整體，形成三角網(wǎng)格模型。

5.紋理映射。

紋理映射的本質(zhì)是建立二維紋理空間點(diǎn)到三維空間物體表面點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將二維空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色值或灰度值映射到三維物體表面，得到符合真實(shí)色彩視覺的實(shí)景三維模型由于多視影像會(huì)在多張影像上顯示同一地物信息，因此紋理映射過程需選取目標(biāo)清晰的多視影像。

二、三維實(shí)景模型單體化

由于傾斜模型的結(jié)構(gòu)為連續(xù)的三角面構(gòu)成的表面模型，不能夠區(qū)分出建筑、道路、植被等地物單體信息，因此在進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)分類，屬性掛接等應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)傾斜模型進(jìn)行單體化操作，實(shí)現(xiàn)在“表皮”模型中識(shí)別出具體的地物對(duì)象。目前應(yīng)用較為廣泛的單體化方法有三種，具體類容如下：

1.ID單體化方法。

根據(jù)對(duì)象矢量線范圍對(duì)傾斜模型三角面進(jìn)行區(qū)分，屬于同一個(gè)對(duì)象的三角面賦予相同的ID。

2.動(dòng)態(tài)單體化方法（邏輯單體化）。

在三維渲染的時(shí)候，通過動(dòng)態(tài)的方式把對(duì)應(yīng)的矢量面疊加到傾斜模型上，通過間接的方式實(shí)現(xiàn)矢量范圍內(nèi)的模型高亮顯示，從而實(shí)現(xiàn)單體化目的。

3.切割單體化方法（物理單體化）。

直接利用對(duì)象矢量線范圍將對(duì)象從傾斜模型中分割出來，形成獨(dú)立的對(duì)象。

由于公路勘察設(shè)計(jì)主要關(guān)注線位兩側(cè)一定范圍內(nèi)的獨(dú)立地物，因此本文采用動(dòng)態(tài)單體化與切割單體化相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)模型單體化。

（1）針對(duì)一般地物，采用動(dòng)態(tài)單體化方法，通過對(duì)傾斜三維模型中的對(duì)象進(jìn)行二維矢量底面疊加，在渲染層面實(shí)現(xiàn)地物的單體化，并通過矢量面作為載體進(jìn)行屬性掛接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的單獨(dú)管理、屬性查詢等功能。

（2）針對(duì)重要的需要切割分離的地物，采用切割單體化方法，既通過人工重建的方式將重要的對(duì)象進(jìn)行物理分離，重建的實(shí)體同時(shí)能夠進(jìn)行編輯和修改。

三、三維實(shí)景模型與工程設(shè)計(jì)模型融合

三維實(shí)景模型與工程設(shè)計(jì)模型是利用不同的軟件平臺(tái)建立的三維模型在格式上并不一致，首先對(duì)兩種模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。格式轉(zhuǎn)換的結(jié)果使得用不同的建模軟件建立的三維模型使用統(tǒng)一的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并將所有的三維模型統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系統(tǒng)下，為模型的配準(zhǔn)與集成做準(zhǔn)備。

對(duì)三維實(shí)景模型三角網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型與工程設(shè)計(jì)模型的無縫疊加，從而實(shí)現(xiàn)模型的無縫集成建模，并將模型統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫中。將一體化模型在定制的GIS平臺(tái)中進(jìn)行展示，并提供拓?fù)潢P(guān)系空間分析能力和管理能力。同時(shí)能夠進(jìn)行各種三維模型數(shù)據(jù)處理、分析、二三維制圖及發(fā)布展示等操作，更加智能高效地進(jìn)行一體化與精細(xì)化管理

四、結(jié)語

目前公路三維模型，主要依賴人工建模，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有獲取影像全面、獲取速度快、后處理自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，能夠很大程度提高建模的效率。傾斜模型與工程設(shè)計(jì)模型相結(jié)合，集成了所有勘察與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)訪問的成本，提高訪問效率。促進(jìn)各部門更好的溝通，減少協(xié)調(diào)時(shí)間，改進(jìn)設(shè)計(jì)能力，更快的提出最終的設(shè)計(jì)方案。