基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模及其精度分析

田 超， 王书阳

(1.深圳市盛鹏勘测技术有限公司，广东 深圳 518057； 2.德州市测绘研究院，山东 德州 253000)

近年来，“数字城市”在国内逐渐兴起，作为其最基础的数据载体，城市实景三维模型的构建技术也得到了快速发展。然而，在众多三维建模技术中，传统的航空摄影测量虽能高效大范围地获取地面三维数据，但仅能得到物体的空间坐标和顶面信息，对于侧面纹理则难以获取，由此造成三维建模过程非常复杂，并且缺乏有效的地面三维信息融合度而效果不佳。为了改变这一现状，倾斜摄影测量技术应运而生，该技术区别于常规的航空摄影测量，它通过飞行平台搭载多个镜头从不同角度来采集地面物体数据，在高效获取地面高分辨率正摄影像的同时还能得到侧面纹理，再经过融合、定位、建模等相关步骤，就可快速生成真实直观的三维实景模型。

1 无人机倾斜摄影测量技术

1.1 无人机遥感技术

无人机是通过无线电遥控设备或自动化程序进行操控的不载人飞行器，包括多旋翼、固定翼、飞艇、直升机等机种，其具有机动灵活、结构简单、使用成本低、快速响应等特点。无人机遥感是以无人机作为航空摄影平台，在快速获取空间遥感信息的同时，还能对遥感数据进行全自动化的处理、建模和应用分析，在当今测绘领域有着无可比拟的应用优势。

1.2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术是通过将多镜头相机安装在同一个飞行平台上(如图1所示，一般为5镜头)，从四个倾斜和一个竖直共五个方向同时获取地面物体的影像，其中和地面垂直的一组影像称为正片，与地面成一定角度的四组影像称为斜片。在拍摄相片时，同时记录飞行器的航速、航高、旁向和航向重叠等参数，在一个时间段内，飞行器可连续拍摄出多组影像重叠的像片，内业人员可以在三张像片上找到同一个地物，并且选择其中最清晰的一张像片进行纹理制作，这样就可以轻松地分析出建筑物的结构。所获影像再经过几何纠正、区域网联合平差、倾斜影像匹配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射等步骤处理，最终生成真实直观的实景三维模型。倾斜摄影测量的影像数据不但能反映地面物体的真实情况，而且还可以通过测量定位技术，将地理信息和属性信息嵌入到影像中，从而使用户获得全方位的体验，让遥感影像的应用范围得到极大地拓展。

图1 多角度航空影像获取示意图

1.3 无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程

基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模技术流程如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程图

2 项目实施

2.1 项目背景

根据某地区数字城市规划建设的需要，深圳市盛鹏勘测技术有限公司参与了该市实景三维数据生产项目，该测区近似正方形形状，南北长约15.3 km，东西长约14.2 km，共需要构建约200多平方公里的多层次多细节的中心城区精细三维模型，为社会公众和城市管理提供可持续发展的信息化服务。

2.2 倾斜影像获取

本次作业由南方“天巡”无人机执飞，飞机携带SWDC-5倾斜数字航空摄影相机、POS机载定位定姿系统，航线设计采用专用飞行管理系统和航摄计划软件；航带旁向重叠度和航向重叠度都设定为70%，影像地面分辨率为0.06 m，分别从四个倾斜和一个竖直方向进行拍摄,获取地面物体的多视角影像以及侧面纹理，同时通过POS系统得到所有像片的外方位元素。

2.3 倾斜影像处理

对采集到的影像进行格式转换、光学畸变纠正、像片色彩均衡、区域网联合平差、倾斜影像匹配，通过处理得到最终的航摄成果，为后续的数字产品制作奠定基础。

2.4 实景三维建模

利用PhotoMesh7.0实景建模软件进行三维模型自动批量构建。PhotoMesh7.0是融合计算机视觉、图形学、航空摄影测量学等高新技术，可将不同格式、不同分辨率的二维像片，经过DSM点云生成、构建TIN、纹理映射等步骤，快速批量地构建成带有纹理的精细三维网格模型。

2.5 精度分析

为了分析三维模型的精度，外业航测阶段在测区范围内均匀布设了10个检查点。利用网络RTK分别测量出这些点的坐标，同时在三维模型上读取检查点的坐标，以外业实测坐标为真值，读取的坐标为计算值，统计得出两者之间的较差，统计结果如表1所示，最后得出三维模型的精度。

表1 三维模型精度统计表(单位：m)

从表1数据得出，本项目三维模型平面位置最大误差为0.334 m，中误差为0.206 m；高程最大误差为0.395 m，中误差0.180 m，精度符合《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)的规定。

2.6 成果展示

本项目通过无人机倾斜摄影技术只用了4个月时间就完成了所有建模工作，相比过去的人工建模方式大大缩短了工期，提高了效率。图3为其中某一副实景三维模型成果。

图3 某一幅实景三维模型成果

3 结语

与传统三维建模方法相比，无人机倾斜摄影测量技术在高清晰度像片自动匹配建模技术上，改变了常规模式带来的许多弊端，实现了快速、自动并一体化地构建城市三维模型，大大降低了建模的成本，显著提高了生产效率，应用优势明显，该方法适合大范围三维模型的构建。通过应用，发现在树林或高大建筑物集中地区，无人机倾斜摄影容易受到遮挡，这时还需通过常规技术手段来补充信息，所以该技术方案还需在进行开展的三维城市建模生产项目中不断改进和完善。