无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用探讨

吴飞宇

(蚌埠市勘测设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

随着现代科技的不断发展，城市的信息化程度越来越高，数字三维城市已成为城市管理中重要的手段。传统的三维建模方法通过采用外业人员手工拍照的方法，获取建筑物的结构和纹理，结合航空正射影像、平面矢量图、建筑物顶部矢量图等数据建立白模，通过照片的纹理分析模型的细部结构，最终处理后纹理信息赋予相应的白模上。而无人机倾斜摄影技术[1，2]的诞生，颠覆了传统测绘的作业方式，通过利用无人机低空多位镜头摄影获取高清晰全方位影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现信息数据的获取[3]。文中以蚌埠市滨湖新区城市三维建模为例，基于无人机航空摄影测量技术，采用Smart3D专业处理软件，通过影像处理、联合区域网平差、多视影像密集匹配及纹理映射等关键技术，快速实现试验区域实景三维模型的构建。

2 无人机倾斜摄影测量系统

无人机倾斜摄影测量技术[4]作为国际测绘领域近年来新兴起来的一项高新技术，它颠覆了传统航空摄影技术，融合了正射和倾斜影像，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1个垂直、4个倾斜等多个不同角度采集影像数据，避免了传统航拍出现遮挡和盲点的问题。在拍摄过程中，同步记录航速、航高、旁向重叠和航向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析处理[5]，为用户提供真实直观的实景信息。

无人机倾斜摄影测量主要具有以下特点：

①起降方便：无人机对起降环境要求较低，无须专用机场，在空旷区域或相对开阔地面均可遥控起飞、降落；

②低空飞行：无人机飞行高度低，飞行高度 200 m～2 500 m，受天气影响较小，工作效率高；

③高分辨率：无人机飞行平台搭载的数码相机低空分辨率可达到厘米级，所拍摄的影像分辨率高，能够清晰看到顶部和侧面的纹理；

④建模效率高：无人机倾斜摄影技术可自动化实现影像数据采集、快速三维建模等[6]。

3 无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用

3.1 无人机数据获取

文中以蚌埠滨湖新区为例，测区北至东海大道，西至解放路，南至燕山路，东至龙子湖边，区域面积约 5 km2，测区范围内地势较为平坦，主要包含建筑、花园、水体和绿地等。当地中央子午线为117°，飞行环境良好。

项目选用红鹏微型倾斜摄影系统，采用六旋翼无人机搭载倾斜摄影仪，航飞高度 100 m，航摄影像分辨率 0.02 m，对滨湖新区进行航拍。测区航线沿直线方向布设，平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头，以便获取测区范围有效影像。为确保无人机航拍影像的质量，每个架次都增加了航带及各航带的照片数量，使其航向重叠不低于80%，旁向重叠不低于60%，采用等距离间隔曝光模式进行拍摄。

3.2 数据处理技术流程

采用Smart3D专业软件对采集的数据进行分析处理，该软件能够无须人工干预地利用连续多角度影像，生成高密度点云，并在此基础上全自动地将纹理映射到对应的模型上，快速生成具有真实影像纹理的城市三维场景。具体数据处理流程图如图1所示。

图1 城市三维模型构建流程

3.3 影像预处理

无人机拍摄影像完成后，需对获取的影像进行质量检查，检查内容包括影像质量、文件格式、影像的重叠度、影像变形及POS信息与影像对应关系等，对质量不佳的影像进行修复。此外，为保证影像色彩整体美观要求，还需对原始影像进行匀光匀色，确保整个测区影像数据整体色调一致，且单张相片无偏色。

3.4 空三加密及实景三维模型构建

基于Smart3D[7]专业软件平台，对多视影像进行区域网联合平差，结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，对每级影像进行同名点获取、自动匹配及自由网光束法平差。利用影像密集匹配技术自动匹配出所有影像中的同名点坐标，进而生成对应地物高密度点云数据，精确地表达该区域的地物细节(如图2所示)。

图2 点云示意图

基于点云数据来构建地物三角网(TIN)模型，优化三角网，将内部三角的尺寸调整至与原始影像分辨相匹配的比例，分析连续曲面的变化，并简化相对平坦地区的三角网，降低数据冗余，构建TIN模型矢量框架。利用空三加密建立影像之间的三角关系形成TIN，再由TIN构成白模(如图3所示)，软件自动从影像中获取对应的纹理，并将纠正后的影像纹理赋予到对应的白模上，最终生成测区实景三维模型(如图4所示)。

图3 测区局部白模模型

图4 测区局部实景三维模型

3.5 精度分析与效率对比

该测区采用5点法布设像控点，测区四周各布设一个像控点，测区中间位置布设一个像控点。为评定无人机倾斜摄影测量建模的精度[8]，在测区范围内均匀选取12个特征地物点作为检查点。像控点和检查点均基于城市CORS系统，采用GPS-RTK进行野外测量，并将外业测量的坐标作为实测值，在三维模型上量取检查点坐标，通过和实测数据进行对比，其检测精度情况如表1所示。利用表1数据可计算出平面中误差为 0.05 m，其中平面最小误差为 0.03 m，平面最大误差为 0.07 m；同理，可计算出高程中误差为 0.21 m，其中最小高程误差为 0.09 m，最大高程误差为 0.32 m。通过实验结果可以看出，基于无人机倾斜摄影测量的三维建模精度较高，完全可以满足项目的要求。

地面点位置、高程精度对比表 表1

工作效率方面，采用无人机每天可航拍3个架次，1个架次航拍 6 km2，在天气良好的情况下0.5天即可完成拍摄任务，数据采集约0.5天，其余工作可通过计算机自动处理和内业人员手动操作，整个数据处理及单体化工作完成约15天，模型质量检查约5天，整个项目完成约21天。对比传统的三维建模主要包括数据采集、模型制作、纹理贴图、模型渲染入库等，整个项目完成约60天。经比较分析可知，采用无人机倾斜摄影测量技术进行三维建模，不仅有效提高了工作效率，还减少了外业工作量。

4 结 语

基于无人机倾斜摄影测量技术进行城市三维建模是一个复杂的过程，包括数据采集、处理分析、三维建模及数据管理等工作。文中以蚌埠市滨湖新区城市三维建模为例，基于无人机航空摄影测量技术，采用Smart3D专业软件，经过区域网联合平差、多视影像密集匹配及纹理映射等关键技术，快速实现该区域的三维实景模型的构建。经实验验证，该方法自动化程度高，有效地提高了工作效率，生产成本低，并具有纹理真实、精度高等优点，能够快速实现城市三维景观的可视化，满足城市三维建模的需求。随着蚌埠市提出建设数字城市和智慧城市的要求，无人机倾斜摄影技术为数字城市及智慧城市空间框架数据采集提供了新的解决思路和方向，未来应用领域必将更加广泛。