基于无人机倾斜摄影的快速三维建模方法研究

王立平

摘 要：近年来，随着无人机技术、倾斜摄影技术以及三维建模技术的发展，基于无人机倾斜影像的快速三维建模己成为测绘领域的一项新技术。本文阐述了无人机倾斜摄影测量的定义和特点，研究了运用Context Capture 进行快速三维建模的技术路线和方法。

关键词：无人机 倾斜摄影 三维建模

目前，利用航摄影像进行空间变化监测的应用已经比较普遍，尤其在监测城市更新方面已经有成熟的技术方法，但是仍无法解决监测建筑物高度变化的问题。而倾斜摄影三维建模支持三維浏览、量测，包含完整的空间信息，是真实世界的直观表达，在城市建设、工程监测等方面的应用愈加广泛，优势愈加明显。

1.倾斜摄影概述

倾斜摄影技术近些年发展迅速，它改变了遥感正射影像只能从垂直角度获取的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台（5台以上）摄影镜头，同时从多个不同的角度采集影像，通过后期软件对获取的信息进行分析、处理、建模，最终向用户展现真实的实景数据，让用户仿佛置身于真实世界。

2.倾斜摄影测量技术特点

（1）真实反映现实世界。倾斜摄影获得的数据是现实世界的真实反映，用户可以多视角观察世界，弥补了正射影像的的缺点。

（2）多成果输出。倾斜摄影获得的数据带有空间地理位置信息，能同时获取DSM，DOM，DLG等成果。相比传统航空遥感摄影大大提高了工作效率，降低了工作成本。

（3）快速贴纹理三维建模。倾斜摄影测量技术借助无人机可成片区、大规模、快速、批量的采集影像数据及贴纹理，实现全自动化的快速三维建模。

（4）可量测数据。倾斜摄影获得的数据，在相应的软件里可以进行量测，获取长度、宽度、高度、角度、面积、体积等信息。

3.技术流程

参照相关的技术规范标准，完成测区范围内倾斜航空影像数据获取工作，具体实施流程主要为：前期踏勘收集测区的基本地理情况、三维数据采集、三维数据处理三个步骤进行。

4.三维数据采集

4.1基本要求及技术指标

根据测区基本情况提出的航摄要求，向主管部门申请航飞。经批准后，制定航摄计划。根据实地勘察测区的地形特征和无人机的特点，参考《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影规范》（GB/T15661-2008）对测区进行合理航线设计，基本的基本要求及技术指标如下：

（1）所获取影像为真彩色数字影像。

（2）像片的重叠度，航向重叠度75%；旁向重叠度75%。

（3）影像质量，获取的测区像片应影像清晰、反差适中，彩色色调柔和、鲜艳。

（4）漏洞补摄，对各种原因获取的不合格航片（航摄漏洞）要及时补飞，漏洞补摄按原设计航迹进行。

（5）后期人工处理：重点处理飞地、飞楼等突出异常模型。

4.2航高确定

数码航空摄影的地面分辨率（GSD）取决于飞行高度，如图2所示。

4.3航飞时间

航空影像的质量对航摄飞行的时间有一定的要求，航摄时间受天气条件的制约。具体要求如下：

（1）水平能见度≥1500m，垂直能见度≥1000m；

（2）多云、阴天为佳，晴天次之。雨天、暴雨天气均不适合飞行作业；

（3）在风速小于3级时进行作业，风速超过3级时，获取的倾斜摄影照片将会不利于建模；

（4）气流相对稳定：每天的正午气流相对较强，对飞行安全不利，同时也对影像质量影像较大；

（5）选择航摄时间，既要保证具有充足的光照度，又要避免过大的阴影，一般对于摄区的太阳高度和阴影倍数要求如表1所示。

注：特殊情况根据测区地形和季节天气条件，航飞时间具体设定。

4.4航线设计

参考《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影规范》（GB/ T15661-2008）对测区进行合理航线设计。通常情况下航线应按东西向或南北向直线飞行；特定条件下亦可根据地形走向与专业测绘的需要沿道路、 河流、 海岸等任意方向飞行。平行于摄区边界线的首末航线一般敷设在摄区边界线上或者边界外；旁向覆盖超出摄区边界线，一般不少于像幅的30%，确保目标摄区完全覆盖。行高依据周边建筑高度而定。后期如果照片存在质量问题，将对不合格的对各种原因获取的不合格航片（航摄漏洞）要及时补飞，漏洞补摄按原设计航迹进行。

5.三维数据处理

无人机倾斜摄影后期处理采用Context Capture软件对采集的数据进行三维建模。倾斜摄影建模采用高精度、高效率、一体化的自动建模技术，建立测区三维模型。该技术集倾斜摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于一体。

5.1工程建设的数学基础

数据采集的坐标系统采用WGS84坐标系，三维模型数据采用以测区几何中心为原点的ENU（East-North-Up）坐标系统。

5.2多级分辨率融合三维自动建模流程

（1）无人机数据采集与地面数据采集同步进行。

（2）采用Context Capture软件，结合影像的外方位元素，进行全自动空三解算。

（3）同时利用无人机与地面采集的影像数据，采用智能人工交互技术将数据进行融合，生成一体化的三维模型。

（4）以测区几何中心为坐标原点，设立ENU（East-North-Up）笛卡尔坐标系，将模型按照该坐标系进行切分和输出。

（5）对数据生产过程中的重要环节进行检查控制，直到其符合项目成果质量要求。

（6）数据成果输出成可浏览格式S3C和标准OBJ文件。

6.结束语

随着建模范围的增大，倾斜摄影技术快速的倾斜影像采集和自动化空三使得其在建模的效率上具有强大的优势，加上无人机灵活、机动、快速、经济等特点，以无人机作为倾斜摄影平台的快速三维建模技术值得大力推广。该技术将在海事测绘尤其是应急测绘保障、海岸资源开发、港口建设与海洋工程监测等方面有着广阔应用前景。

参考文献：

[1]郑期兼.无人机技术在测绘测量中的应用分析[J].科技与创新，2014（5）.

[2]朱国强.无人机倾斜摄影技术支持下的三维精细模型制作[J].测绘通报，2016（9）.

[3]王静.基于无人机倾斜摄影的城市三维建模方法研究[J].科技创新导报，2017（19）.