双相机倾斜摄影在建筑物要素摸查中的应用

熊辉

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510000)

1 引 言

在城市快速发展的今天，全面掌握建筑物要素的信息对于城市发展的规划决策至关重要[1]。倾斜摄影测量是国际摄影测量领域近十年发展起来的一项高新技术[2～5]，相比于传统的测量方法，具有数据获取更高效、现势性更强的优势，已成为城市建筑物要素摸查应用的主要信息获取手段。

倾斜摄影系统一般是由无人机、倾斜相机、数据处理软件、服务器等部分组成，传统的倾斜相机使用1个垂直相机和4个倾斜相机从5个不同视角同步采集影像，能够获取到丰富的建筑物顶面和侧面的高分辨率纹理信息。倾斜摄影测量技术能够借助先进的定位、融合、建模等技术，生产真实的城市三维模型；同时，通过配套软件的应用，能够直接基于成果影像、三维模型进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在测绘行业中的应用。在倾斜摄影系统中，倾斜相机采集影像的质量很大程度上决定了后期生产的3DMesh、DSM、DOM、DEM等产品的质量效果，许多研究人员对倾斜相机的各类性能进行了研究[6～10]。当前，倾斜相机已由最初单一的五相机发展到双相机、三相机等多种类型结构和用途的倾斜相机，并且各类新研发的相机在重量、质量、功能方面都取得了巨大的进步。

尽管倾斜摄影技术应用较广，但是对于城市建筑物要素摸查而言，仍未形成一个完整的系统。相比于传统的航空影像而言，倾斜摄影技术获取的影像在获取方式和后期处理中均存在一定差异[11～13]。当前，双相机倾斜摄影无人机飞行系统已经取得了越来越广泛的应用[14，15]。本文介绍了双相机倾斜摄影无人机飞行系统的构成和主要优势，论述了双相机倾斜摄影在城市建筑物要素摸查应用的关键技术及工作流程，并针对广州市黄埔区某测区进行了实验。

2 双相机倾斜摄影系统应用分析

2.1 双相机倾斜摄影无人机飞行系统优势分析

传统的五相机倾斜摄影无人机飞行系统是在云台上搭载1个垂直和4个倾斜角度的相机，倾斜角度大致在30°～50°之间，而双相机倾斜摄影无人机飞行系统的云台仅加装2个侧视相机(如图1所示)。由于相机个数的减少，双相机系统可搭载更重的4 200万像素的全画幅高清航拍相机，实现小于0.7 s每组照片的高速连拍，同时在负载作业时间上也有较大的提升，负载作业时间大于 40 min。在效率方面，双相机系统和传统五相机系统的对比如表1所示。

图1 双相机倾斜摄影无人机飞行系统

五相机与两相机倾斜摄影无人机飞行系统对比 表1

2.2 双相机倾斜摄影关键技术

双相机倾斜摄影作业流程主要包括：像控点布设、航线规划、外业倾斜影像采集、内业倾斜影像处理，如图2所示。其中，数据采集任务由双相机倾斜摄影无人机飞行系统在完成相控点布设和航线规划以后进行采集，内容主要包括倾斜影像数据、GPS/IMU初始位姿数据与像控点图面坐标；数据处理任务则由内页处理完成和实现，处理过程主要包括多视影像特征提取与匹配、多视影像光束法平差、多视影像密集匹配、构网与纹理映射四个部分。

图2 双相机倾斜摄影技术流程

数据的处理是实现数据由原始的影像数据向可用产品转换的关键环节，本文对数据处理的关键技术进行介绍和分析。

(1)多视影像特征提取与匹配

倾斜摄影影像通常比航空下视影像数据量大，且由于影像采集视角多元，存在变形不一致、比例尺不一致的情况，保证大量影像数据快速特征提取与准确匹配是倾斜摄影技术的关键。目前主流的做法主要通过CPU、GPU加速辅助SIFT算法进行快速特征提取，添加约束条件进行准确匹配。在生产过程中，通常先进行自动连接点匹配，针对飞行区域不规则、控制点稀少等情况，可以通过手动添加匹配连接点来提高整体连接点匹配的精度，以及飞行区域的整体性。

(2)多视影像光束法平差

提高倾斜摄影影像的匹配点精度可得到较好的多视影像光束法平差结果，由于多视影像数据视角多元、结合变形多元，且存在侧视遮挡问题，因此除通过光束法平差解算倾斜影像的位姿，除附加投影差最小的约束外，还可结合倾斜摄影无人机飞行系统采集的GPS/IMU数据、手动添加的连接点、约束条件、增加控制点辅助进行区域网平差，通过多种约束条件进行优化，解求多视倾斜影像位姿最优解。

(3)多视影像密集匹配

密集匹配是在恢复影像位姿数据的基础上进行的，多视影像中下视影像可获取清晰的地面纹理与建筑物天面纹理，侧视数据可获得清晰的建筑物侧面纹理，倾斜摄影无人机采集的多视影像分辨率高，数据量大，如何快速进行同名点匹配，获取同名点坐标，提取地物点的三维坐标，是多视影像密集匹配的核心。密集匹配通常借助核线将二维同名点搜索变为一维搜索，并结合计算机视觉、机器学习、深度学习的新探索挖掘密集匹配的效率和准确度，并引入并行算法，提高解算效率。

(4)构网与纹理映射

多视影像密集匹配可根据影像的彩色信息生成三维地物点的彩色点云，能更加逼真地实现目标物数字地面模型(DEM)或数字表面模型(DSM)的获取以及模型的建立；通过点云数据进行泊松构网，并结合相机的透视投影关系，可以获取到三维模型表面和倾斜影像区域的一一对应关系。结合网格平面参数化的结果，可以从三维模型的实拍倾斜影像中生成出参数化平面的纹理。纹理映射过程中，对一些拍摄角度较好的影像，均产生了一张纹理地图集，最终的纹理地图集需要从多幅多角度的图像融合得来。为了在保持纹理的分辨率和色彩还原度的基础之上，减少不同图像间的灰度值差异，使合成后的纹理在过渡处保持平滑，采用多分辨率样条法进行纹理融合。

2.3 双相机倾斜摄影应用于建筑物要素摸查的主要任务

建筑物要素摸查的主要信息包括建筑栋数、建筑面积、占地面积、建筑层数、建筑结构。由于无人机快速获取的三维模型具备现势性强、可视性强、可量测的优势，因此利用倾斜摄影技术进行城市建筑物要素信息摸查值得探索。基于三维模型进行建筑物要素摸查的技术包括地形图房屋面巡图、现状房屋面绘制、建筑物要素入库、建筑量统计。

(1)地形图房屋面巡图

在建筑物要素现状摸查中，地形图房屋面巡图即将地形图房屋面与三维模型套合，将现状建筑物与已有房屋面进行对比，保留吻合部分，去除已变化部分。

(2)现状房屋面绘制

已变化部分的建筑物需要重新进行房屋面绘制，该步骤在清华山维EPS软件中完成，主要按照竖直分层面切分进行房屋面绘制，并附加房屋属性如建筑面积、占地面积、建筑层数、建筑结构。同时进行建筑物栋号自动生成。构筑房屋面后，可导出数据库mdb文件。

(3)建筑量统计

建筑物要素摸查还可快速获取测区范围内的建筑物栋数、总占地面积、总建筑面积，为城市更新改造提供经济测算依据。

3 应用案例

3.1 工程概况

本文所研究的实验测区位于广州市黄埔区，如图3所示。测区面积约 5 km2，区块形状为不规则多边形，多处内凹，由多块密集的建成区散乱分布形成，西北-东南方向、西南-东北方向各有一条城市道路，其他部分为丘陵、农田、植被等，其中需要摸查的建筑物要素面积约 1.5 km2。测绘要素分布跨度大且较为零散，采用传统测量方法耗时长，成本高，现势性低，而应用双相机倾斜摄影技术可提高作业效率，现势性强，同时能够节约成本。项目采用南方无人机ZR-66B双镜头倾斜摄影无人飞行系统采集倾斜影像数据，Skyline公司的Photomesh软件进行空中三角测量及全自动三维建模，建筑物要素摸查采用清华山维EPS软件。

图3 测区范围界线

3.2 航线规划及数据获取

根据建筑物要素摸查的范围设计飞行范围，进行航线规划，设置航飞影像航向重叠度75%，旁向重叠度60%，飞行高度约 300 m，地面分辨率 4 cm。考虑到测区为不规则多边形，航向方向设计无法按照单一走向方法进行布设，为实现效率、质量与成本的最佳耦合，需根据多边形形状走向分区块设置航向，并保证不同区块间具备足够重叠度。测区边缘尤其在内凹区域，建筑物建模通常容易出现拉花现象，需外扩 300 m。实施方案中共布设了15个架次获取两相机倾斜影像数据，单景倾斜影像数据为 4 200万像素，共采集 6 680张影像，内存为 228 G影像，相机焦距为 35 mm，像元大小为 4.5 μm。测区范围内共布设了35个控制点，具体分布如图4所示。

图4 测区控制点布设方案

3.3 自动建模

在Photomesh中新建工程，整理双相机的内方位元素数据、6 680张倾斜影像数据及对应的外方位元素POS数据，进行多视影像特征提取与匹配、光束法平差获取测区空中三角测量成果，根据空三解算结果进行密集匹配，生成密集点云，通过构网与自动纹理映射，最终获取得到测区三维倾斜模型，如图5所示。

图5 测区实景三维模型

3.4 建筑物要素摸查

采用EPS新建工程，加载三维模型、正射影像与现有地形图，基于倾斜实景模型现状在测区内首先进行巡图，删除现状发生变化的建筑物要素，并重新绘制，赋予层数、结构属性。测区范围内所有建筑物要素摸查结束后，统一进行栋号自动生成，将成果导出为mdb格式的图斑数据，仅保留建筑物要素的栋号、层数、结构、占地面积、建筑面积字段属性，流程图如图6所示，成果如图7所示。

图6 建筑物要素摸查技术流程

图7测区建筑物要素摸查成果数据

4 总 结

双相机倾斜摄影技术具有快速获取倾斜数据的优势，可获得接近五相机倾斜摄影技术自动建模的效果。同时，相机数量的减少使得双相机系统能够搭载更高像素的相机，一方面提高倾斜影像数据采集的分辨率和质量，另一方面可增加航高，提高单个架次覆盖面积，提高作业效率。在城市更新中进行快速建筑物要素摸查，使用双相机倾斜摄影无人机飞行系统能够为更新改造方案提供第一手的经济测算数据，同时留存现势性三维模型、正射影像数据服务于技术方案设计，节省方案底层模型、底层影像搭建时间成本。

目前，双相机倾斜摄影无人机飞行系统得到了较为广泛的推广，在建筑物要素摸查方面，可快速获取测区范围内建筑物要素，并进行建筑量统计。同时，在实际应用中该技术也存在一些问题：

(1)建筑物遮挡问题：需进行建筑物要素快速摸查的测区一般为密集城中村，房子高度较低，在植物茂密的南方城市如广州，存在较多的低矮建筑物被树木遮挡的现象，如该建筑物现状已改变，在进行重新绘制时，由于未进行现场调绘，容易存在较大偏差。另一方面，建筑物与建筑物之间过于密集时，建筑物结构、层数易发生误判，绘制难度大。测区范围内遮挡率较大时，建筑物要素摸查统计数据与真实情况易产生较大偏差。

(2)航线规划问题：需进行建筑要素摸查的测区一般只关注建筑物要素，建筑物要素通常散乱分布，导致测区形状极不规则，空中三角测量难度增大，需合理进行航线规划，协调作业效率、成本与技术难度，使三者得到平衡。

本文通过双相机倾斜摄影无人机飞行系统，采集倾斜影像进行自动建模，将其应用于建筑物现状摸查中，提高了作业效率，论证了该技术方案的可行性，同时也发现该技术方案仍存在问题需要克服，在后续推广应用中该技术方案将得到不断完善与深层次的应用。