無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用研究

吳玉文

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維建模；空三解算優(yōu)化；單體化建模

0 引言

近年來，無人機傾斜攝影測量技術發(fā)展迅速，尤其是隨著實景三維中國建設的提出，加快了傾斜攝影實景三維建模技術的發(fā)展和軟件的更新。無人機傾斜攝影主要包括兩部分內容，即外業(yè)影像數據的采集和內業(yè)影像數據的解算。對于內業(yè)數據的解算，許多學者進行了分析研究。騰月[1]等人對不同類型無人機在大場景實景三維建模中的應用進行了探討，并對不同的作業(yè)方式效率和精度進行了分析。鐘亮[2]等人對無人機傾斜攝影測量技術從外業(yè)和內業(yè)兩方面進行了介紹，并以實際項目為例，驗證了生產的實景三維模型其坐標精度和邊長精度，均可以滿足城市實景三維模型建設的精度要求。孫樹芳[3]以無人機數據為例，采用CCC軟件進行建模，對空三注意事項進行了探討，并得出基于傾斜攝影技術生產的模型，精度可以滿足城市三維地理信息模型數據產品規(guī)范相關要求。田海林[4]和魏軍[5]分別對傾斜攝影建模流程進行了介紹，并以實際項目為例進行了分析。王萍等[6]對傾斜攝影建模存在的問題進行了分析，并提出了模型優(yōu)化的具體方案，取得了不錯的效果。魏軍[7]從可調整質量元素及權重的檢查方面入手，對不同項目下模型的質量評價提出了對應的方案，并對模型質量存在的問題及原因進行了分析。本文結合實際生產經驗，對空三精度低、易失敗的問題進行了分析，并提出了解決方案。以實際項目為例，對提出的方案進行了驗證，并且對模型存在拉花變形的問題，提出了采用SVSModeler軟件進行模型單體化的方法，得到了質量更高的模型成果，有效解決了傾斜攝影空三解算精度低、易失敗的問題和模型拉花變形的問題，為城市實景三維建模提供了借鑒。

1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影技術是基于傳統攝影測量技術的基礎上進一步發(fā)展的產物，其解決了傳統攝影測量技術中地面正射影像獲取困難的問題。傾斜攝影測量技術利用無人機作為攝影平臺，通過搭配多個傳感器與攝影鏡頭，獲取多層次、多維度的地物信息。圖1 為傾斜攝影測量技術的基本原理。

傾斜攝影系統主要包括雙鏡頭和五鏡頭傾斜攝影系統。雙鏡頭傾斜攝影系統彌補了單一視角下影像信息量不足的特點，有效減少了戶外工作量以及無人機的自重。五鏡頭傾斜攝影系統相較于雙鏡頭以及傳統的測量系統，其數據量更為龐大，采集的影像更為全面，構建的三維模型更加精確，圖2（a） 、（b） 分別為雙鏡頭、五鏡頭傾斜攝影系統。

2 傾斜攝影空三分析

傾斜影像空中三角測量解算成果的影響因素除了與軟件算法有關外，還與輸入軟件的參數有關。輸入軟件的參數主要包括影像、相機參數和POS數據。下面將對不同參數對空三解算精度和成功率的影響進行分析，并提出可行的解決方案。

2.1 影像對空三解算的影響

影像對空三解算的影響主要從兩方面入手，即影像的質量和影像的分辨率。影像的質量主要是影像表征的質量，即影像的對比度、不同地物的易辨別度、影像是否存在云影等。對于存在云影的問題，在保證重疊度等條件滿足建模的情況下，可以將這部分影像進行剔除。對于影像對比度低的問題，可采用對比度拉伸的方式提升影像對比度。而對于影像模糊、地物不易辨別的問題，可采用影像勻光勻色技術提升影像的可辨別度和整體表征質量。影像的分辨率主要影響影像的準確匹配平差，當分辨率相同時，影像匹配平差最容易通過。然而，當分辨率差異較大時，可能會導致平差。將分辨率低的影像對應的同名點當粗差點進行剔除，從而導致平差結束后，部分影像被剔除，不能滿足建模需求，使空三成果不可用。解決影像分辨率問題主要與航攝像機的組合和航攝高度有關。對于五鏡頭傾斜相機，一般側視和下視呈45度角，為了保證分辨率一致，側視相機焦距須為下視相機焦距的1.4倍。當地面起伏差異大時，如果采用固定航高飛行，則獲取的影像分辨率相差較大，這時需要采用仿地飛行技術，以確保獲取的影像分辨率盡可能一致。

2.2 相機參數對空三的影響

目前傾斜相機檢校成本高，且檢校場地有限，因此在實際生產中很少對相機進行檢校。然而，準確的相機參數作為輸入初始值對空三的解算效率和精度也有一定影響。解決相機參數精度可采用軟件自檢校的方式。即通過對少量影像進行解算，得到相機參數，再將解算后的參數作為初始值輸入軟件，再次進行解算，得到新的相機參數。按照相同的方法不斷對相機參數進行迭代優(yōu)化，直到相機參數趨于穩(wěn)定，則將其作為最終結果輸入軟件中，對所有影像進行解算。

2.3 POS 對空三的影響

POS記錄的是相機曝光時的位置和姿態(tài)，與影像的關系是一一對應的，因此高精度的POS直接影響著影像的解算效率和精度。目前POS數據優(yōu)化主要采取的方法有：通過差分數據解算，從而解算得到精度更高的POS數據；通過第三方軟件對POS數據進行優(yōu)化，提高POS數據的精度；目前傾斜設備POS數據記錄的是下視相機的，結合相機之間的安置參數，可以解算得到每個相機曝光時的位置和姿態(tài)，這樣實現了POS數據的優(yōu)化，提升了數據的解算精度。

3 城市實景三維模型建設

傾斜攝影在城市實景三維建模中的流程主要包括外業(yè)和內業(yè)兩部分，具體的作業(yè)流程如圖3所示。

3.1 無人機航空攝影

本次數據來源于實景三維中國建設項目。某城區(qū)要生產城鎮(zhèn)建成區(qū)50 km?的實景三維模型，采用多旋翼無人機搭載五鏡頭航攝儀完成影像數據的采集，共獲得1.5 cm分辨率的影像約10萬張。在獲取數據的過程中，周期較長，部分影像對比度低，另一部分影像較模糊，這可能會影響后期成果的質量，因此需要進一步進行處理。

3.2 數據預處理

采用Photoshop軟件，創(chuàng)建動作命令，對對比度低的架次影像進行對比度拉伸處理。首先選擇一張地物信息豐富、具有代表性的影像進行對比度拉伸操作，得到較好的效果后，將調整的參數等步驟記錄下來。通過創(chuàng)建的動作，可以批量對剩余影像進行對比度拉伸處理。對于模糊的影像，通過查看可知主要原因是存在薄霧，采用專業(yè)的勻光勻色軟件，對原始影像中的薄霧進行去除，提升了影像的清晰度。

相機參數采用航飛質量較高的某一架次影像進行解算，并通過轉刺像控點、平差調整的方式，得到最終趨于穩(wěn)定的相機參數。這些參數被作為后續(xù)所有影像數據解算的初始值。

3.3 空中三角測量解算

空中三角測量解算是傾斜影像數據解算中最重要的一步，直接影響著后續(xù)成果的質量和精度。本次航攝影像約10萬張，結合硬件配置和軟件，將其分為兩個部分進行解算。每個部分約5.5萬張影像，接邊區(qū)域重疊約500 m的距離，并利用公共像控點對后期接邊精度進行約束控制。本次數據解算采用瞰景Smart3D2021軟件，將優(yōu)化后的影像數據和相機參數作為初始值導入軟件中，再導入航攝時獲取的POS數據，進行空中三角測量解算。通過像控點的轉刺平差，兩部分空三像控點精度，其三維較差最大為0.015m，成果精度良好，可直接用于后續(xù)模型數據的生產。

3.4 實景三維模型生產

為了保證接邊區(qū)域模型的精度和完整度，本次在模型生產時將兩部分空三成果合并，然后再次平差調整，將接邊區(qū)域粗差較大的同名點剔除，從而保證該區(qū)域模型的完整度和精度。結合電腦配置，本次生產模型大小為100m×100m，格式選擇OSGB 和3dtile 兩種格式，部分生產的三維模型成果如圖4所示。

3.5 精度分析

對于模型精度的檢測，主要從模型的點位精度和邊長精度入手。利用GPS-RTK采集30個檢測點，用來檢測模型的點位精度，檢測點主要有地物點、房角點等。利用全站儀和鋼尺測量了20條建筑物邊長，主要包括房屋邊長和房屋高度。在EPS軟件中，對模型點位精度進行測量對比分析，得到本次生產的模型平面較差最大為0.078 m，高程較差最大為0.081 m，平面位置中誤差為0.045 m，高程中誤差為0.041 m。利用Smart3DCapture Viewer軟件獲取建筑物的邊長，并和外業(yè)獲取的實際長度進行比較，得到本次模型邊長最大較差為0.124 m，平均邊長較差為0.089 m。從點位精度和邊長精度分析，本次生產的模型精度均滿足城市三維模型建設的要求。

4 實景三維模型優(yōu)化

為了提升模型成果的質量，本次在自動化構建模型的基礎上，采用SVSModeler軟件對部分建構筑物進行了單體化制作，單體化模型制作流程如圖5所示。

按照實景三維中國建設的相關要求，本次采用單體化模型制作方式，對模型進行優(yōu)化，某一建筑局部優(yōu)化前后的對比圖如圖6所示。

5 結束語

本文介紹了傾斜攝影測量的原理，并對傾斜空三存在的問題進行了分析，提出了對應的解決方案。通過實際項目驗證了這些方案的可行性。最后，對自動化生產的模型存在的拉花變形問題進行了分析，并提出了采用SVSModeler軟件單體化建模的解決方案。本文的研究可以為城市實景三維建模提供參考。