基于無人機傾斜攝影測量技術的三維城市建模的應用

張靜坤 孫亮 聶振剛 李瑩瑩

摘 要：在科技不斷進步的背景下，遙感技術也取得了較大的進步，其應用也越來越廣泛。其中傾斜攝影測量技術是近些年發(fā)展起來的新遙感技術，該技術不但能實現(xiàn)地理信息的全方位呈現(xiàn)，還可以借助定位、全景等一系列手段提高航拍攝影的效率，從而構建更加全面逼真的三維圖形。因此，結合無人機技術和傾斜攝影測量技術進行三維城市建?？梢燥@著提高城市三維建模的精確度和真實度，對于城市建模工作來說幫助很大。基于此，文章針對無人機傾斜攝影測量技術在三維城市建模中的應用進行了探討。

關鍵詞：無人機;傾斜攝影測量技術;三維城市建模

我國無人機領域起步較西方發(fā)達國家要晚，受技術所限，發(fā)展也比較緩慢。但隨著科學技術的逐漸發(fā)展和國家政策的大力扶持，無人機技術更多應用于航測系統(tǒng)，兩者的有機結合很大程度上促進了雙方的良性發(fā)展。無人機的遙感拍攝技術也更多的應用于生活中諸多領域。無人機技術發(fā)展至今，已經可以做到多層次、多維度的掌控航拍手段，也可以利用互聯(lián)網思維，融合計算機技術，對航拍的照片進行一系列精準測算，增強該技術的能動性和應用范圍。近幾年來，無人機航測系統(tǒng)的相關技術和手段愈發(fā)先進和精準，相較先前的測算手段來說都更加安全、精確、可靠、便捷。而且，無人機與拍攝設備的完美兼容也使航測所獲的圖像更加清晰，測算更加方便，應用范圍也更為廣泛。另外，對于建筑工程中的測繪工作來說，有了無人機的幫助可謂事半功倍。以西方發(fā)達國家為例，傾斜攝影測量技術的發(fā)展十分迅速，短短十幾年就獲得傲人成就。其中成就斐然的有美國Pictometry公司的傾斜攝影測量系統(tǒng)，天寶公司的AOS系統(tǒng)等。中國也緊跟技術潮流，2010年4月，北京天下圖數(shù)據(jù)技術有限公司首次從國外引進傾斜攝影測量技術，標志著中國的攝影測量進入傾斜攝影測量時代。如今，國內通過傾斜攝影測量技術進行的三維建模工程主要是采用國外的StreetFactory或景瞰公司的Smart3DCapture軟件進行全自動正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測量，這些技術能夠全自動化構建三維模型，全自動化貼紋理形成最終三維真實場景，相對于傳統(tǒng)的3dsMax、AutoCAD結合人工建模，這些傾斜攝影測量的軟件可以大大提高建模效率，減少人工干預的時間，傾斜攝影測量技術還可以以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景。

一、無人機傾斜攝影測量技術概述

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)包含飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、地面設備等部分。無人機傾斜攝影測量技術從廣義上來說包括無人機技術和傾斜攝影測量技術。無人機技術指通過自動控制系統(tǒng)可以使無人機完成預定操作的技術，主要分為直升機、多旋翼、固定翼、復合翼等類型。無人機較同類型工具具有顯著的特點，例如，結構簡單、攜帶便捷、適用范圍廣、成本低廉、信息化程度高等等。這種技術通常應用于測繪或者測量國土資源。而傾斜攝影測量技術就是利用多角度相機拍攝地面物體的不同角度，所得的圖像有更高的分辨率。與該技術綁定的三維建模技術可以模擬人眼觀察到的視覺景象，而GNSS技術能夠整合三維建模所得信息，錄入城市地理信息系統(tǒng)中，在完善和統(tǒng)一管理城市地理信息的同時，也提高用戶體驗感受、減少成本投入。

二、無人機傾斜攝影測量技術要點

1、無人機傾斜影像效果

傾斜攝影測量技術利用自身搭載的多組高精度傳感器可以從高空展現(xiàn)物體的垂直方向以及四個傾斜角度的立體圖像，這個技術也解決了傳統(tǒng)航拍中拍攝角度單一、易受到外界干擾和有攝影死角等問題，極好的關注到了物體的側面紋理等細節(jié)。本次實驗過程中，因旁向重疊度和航向重疊度高，一個建筑物容易同時出現(xiàn)在多張傾斜影像上。圖1為不同方向的影像數(shù)據(jù)

2、無人機傾斜攝影測量影像采集流程

最具有突出標志并被大眾廣泛接受的是北京東方道爾公司和武漢華正公司的后處理技術，這兩者都以LIDAR數(shù)據(jù)為前提，前者采用半自動人工交互模式，后者則有自動化生產的技術。一般說來，傾斜攝影測量工程師需要齊備這兩者工具，但作業(yè)和經濟成本的壓力偏高，傾斜攝影測量三維建模就很好的解決了此番問題，但相較于外國的先進后期處理技術來說還有一定距離，具體處理流程如下：

1）前期資料準備。在測量之前收集需測量關于測量區(qū)域的資料，盡可能全面深入地了解測區(qū)的相關事項，為無人機入場測量做好前期準備工作。

2）設置地面控制點。為了確保測量精度滿足要求，需要合理設置控制點并對控制點進行測量，同時要合理設計無人機航行路線。注意地面控制點要清晰、明顯、分布均勻，不要布置在墻角或者屋頂角等高程變化大的地方，作為城市三維模型的重要組成部分，地表地物也是城市建筑交通的關鍵信息。可以根據(jù)收集的城市規(guī)劃圖確定控制點，還可以用全站儀或者RTK重新測定控制點;此外，可以利用數(shù)碼相機布設現(xiàn)場攝影點，拍攝一些地貌地形復雜區(qū)域的標志物，便于后續(xù)進行查找比對。

3）影像數(shù)據(jù)的獲取。利用無人機傾斜攝影測量技術獲取地面紋理數(shù)據(jù)、地物高程信息等關鍵數(shù)據(jù)。在進行無人機航拍測量之前應該結合需要測量的地物合理設置無人機航行路線，航行高度、航向和旁向重疊度，然后整合無人機獲取的航拍影像數(shù)據(jù)，檢查影像的重疊度、變形、定位定姿系統(tǒng)信息與影像對應關系等參數(shù)是否符合要求。如果滿足要求則可以對影響進行預先處理，并將處理后的影像數(shù)據(jù)成果進行進一步處理，最終獲得需要的數(shù)據(jù)信息。

三、基于無人機傾斜攝影測量的三維城市建模

1、總體建模思想

第一步，利用無人機飛控軟件獲得測區(qū)的圖片，再將所得照片導入計算機中，檢查照片并對不同攝像頭得到的影像進行分類，分類完畢的五個方向的影像放在五個文件夾中;第二步，利用Smart3DCapture對拍攝的圖片進行拼接與處理，得到垂直和傾斜影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)成果，用Smart3DCapture生成DSM深度影像。第三步，通過 Smart3DCapture 軟件生成三維模型。

2、建模過程

建模過程囊括初期建模和后期修模。總體模型采用基于Smart3DCapture的自動三維建模軟件建模。后期還涉及主要建筑物的單體化和水面的修補問題，這兩個問題可以通過使用DPmodeler和杰魔等軟件來解決。在實際建模時，還需根據(jù)時所需類型謹慎測量和采集信息，分類之后一定程度上可以提高建模的工作效率。

綜上所述，在城市三維建模領域，無人機傾斜攝影測量技術具有非常明顯的優(yōu)勢，但目前該技術還有待完善，受到一些問題的影響，無人機傾斜攝影測量技術進行三維建模時會受到一定的制約，如模型的局部細節(jié)缺陷影響到城市三維模型的實際應用效果。因此，必須不斷深入研究無人機傾斜攝影測量的研究，不斷推動該技術在三維城市建模中的應用，以使其更加完善。

參考文獻：

[1]馮茂平， 楊正銀， 張秦罡. 基于小型多鏡頭航攝儀的無人機傾斜攝影測量技術在實景三維建模中的應用[J]. 測繪通報（s1）：11-13.

[2]崔琛. 多旋翼無人機傾斜攝影測量在三維建模中的流程淺析——以河南省鄭州市上街區(qū)為例[J]. 城市地理：63.

[3]繆玉周. 消費級無人機傾斜攝影測量技術在構建城市真三維模型中的應用研究[D]. 東華理工大學.

[4]周燕芳. 基于旋翼無人機傾斜攝影測量的城市三維實景建模研究[J]. 科技創(chuàng)新導報， 15（30）：25-28.