倾斜摄影测量技术在三维建模研究中的应用

王黎潇

(青海省不动产登记事务中心，青海 西宁 810000)

0 前 言

“数字城市”建设成果在国民经济建设中逐渐得到了广泛的应用，并且以直观、可视化、信息更加丰富为显著特点的“三位数字城市”建设成果，成为应用创新的推动剂。通过实施三维数字城市项目，提供现状三维模型，属性数据库，搭建一个充分直观展示城市地形地物和城市形态的数字化可视平台，为城市规划、城市建设、城市运营管理提供数据支持和决策参考[1-2]。

在国内外测绘领域，无人机倾斜摄影技术作为最新的一项新的测绘技术，已经在实际生产中起到了越来越广泛的应用。在城市三维模型制作方面，该技术有着显著的技术优势，已经成为行业的发展趋势和未来的发展方向[3-6]。本研究选择河南省省会郑州市下辖上街区作为研究区，重点研究的是无人机倾斜摄影技术在三维建模中的作业流程和作业方式。

本研究为今后国内外开展类似区域的城市三维模型制作提供了技术参考及依据。

1 研究区域概况

河南省郑州市上街区位于河南省豫东平原和豫西丘陵的交界地带，经度为113(°)14(′)45(″)～113(°)19(′)05(″)N，纬度为34(°)35(″)～34(°)40(″)E之间。上街区创立于上世纪50年代，主要是国家根据第2个5年计划而创立的新型工业型城区，他距离河南省郑州市主城区38 km，西距离河南省洛阳市78 km，他是郑洛工业走廊的一个重要节点城镇。截止到2016年，上街区面积为65 km2，现辖一个峡窝镇，有5个办事处，人口15万。

2 研究方法

2.1 无人机倾斜摄影技术的原理及优点

自从21世纪以来，随着计算机技术的快速发展，国内外测绘和地理信息领域也在飞速进度，而无人机倾斜摄影技术是则是未来重点发展的一个热门方向。

以往的数字正摄影像只能从垂直角度拍摄，而该技术彻底颠覆了这种拍摄角度的局限性。一般来说无人机倾斜摄影搭载至少5台摄影相机：1个下视以及4个侧视。这种组合方式的优点就在于可以从不同的角度去采集数据，从而获得更加完整的信息。通过算法重建地面的实景真三维模型，引入更加符合人眼视觉的真实直观世界[7]。

无人机倾斜摄影技术主要优点如下。

1)无人机倾斜摄影可以快速、高精度的反映研究区的真实状况，相比于数字正摄影像，他可以从不同的角度去获取数据，显示效果更加真实、立体，从而极大弥补正摄影像应用的狭隘性。

2)在测绘领域单张影像的快速测量，利用无人机倾斜摄影技术可以快速的实现。在倾斜摄影测量工作中，可以直接测量物体的角度、坡度、面积、长度、宽度、高度等各个方面，该项技术快速、并且精度高，极大的拓展了倾斜摄影测量技术在测绘和地理信息领域的应用。

3)无人机倾斜摄影技术可以对建筑物的立面和侧面的纹理进行采集。以往城市三维建模工作，都是由人工采集纹理数据，再进行三维建模，这种作业方式效率低，成本高。无人机倾斜摄影技术可以应用在三维建模领域，利用无人机航空摄影可以快速大面积成图的优点，以及对建筑物的立面和侧面的纹理进行采集的方式，可以极大地提高三维建模效率并降低了其成本。

4)无人机倾斜摄影技术所收集的数据极易于网络发布，并且数据量小。以往的传统人工三维建模工作，往往因为数据量大，操作不方便。而倾斜摄影技术采集的数据要小的多，这样的话可以将获取的数据快速进行网络发布，从而实现共享应用。

5)应用领域比较广泛。无人机倾斜摄影技术既可以反映测区的真实地表情况，并且该技术包含过高精度的定位系统，在实际飞行中可以赋予成果数据高精度的空间地理信息，极大扩展了数据的应用领域，不仅仅是在测绘与地理信息行业，在其他相关行业也可以得到应用。

基于以上优点，随着无人机倾斜摄影技术最近几年的快速发展，该项技术在国内外发达地区已经广泛应用于国土勘查、城市建设、规划等诸多行业。

2.2 无人机平台介绍

多旋翼无人机相当于横列式直升机，是一种具有3个及以上旋翼轴的特殊无人驾驶直升机。多旋翼无人机通过每个轴上的电动机的转动，带动旋翼并产生升推动力。其通过改变不同旋翼之间的相对转速，可改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。他的旋翼的总距是固定的，不可变的。多旋翼无人机具有垂直起降和空中悬停直升机的优良飞行性能，并且不需要机场。其飞行的姿态比较平稳，飞行的高度较低，基于多旋翼无人机的倾斜摄影系统能够快速的取得被拍摄物体的细节纹理及多角度的高清影像。在此基础上进行的三维模型建模具有纹理清晰、相对关系准确、测量精度高等特点，在一定程度上能够满足测量和模型制作的精度要求。

2.3 无人机倾斜摄影的三维建模

2.3.1 倾斜摄影三维模型数据生产流程

倾斜摄影三维模型数据生产流程如图1所示。

图1 倾斜摄影三维模型数据生产流程

该技术是基于影像的三维建模技术的一种，基于影像的三维建模技术大致步骤分为：①特征点提取与相对定向；②投影重建与相机标定；③密集匹配；④重建三维模型。

其中，第1步从给定影像中自动检测出可靠且充分密集的连接点，利用连接点对大量影像进行自动重定向；第2步根据重定向结果进行投影重建，标定相机位置等信息；第3步通过CMVS(cluster multi-view stereo)、PMVS(patch-based multi-view stereo)等算法进行密集匹配；第4步从点云通过构建三角网格模型得到目标三维模型。

2.3.2 模型自动化生产

1)模型创建：标定相机位置，重新建立投影关系完成后，将数据提交到Smart3D软件进行自动进行影像拼接和模型创建。

2)特征检测与自动匹配：Smart3Dcapture采用先进的旋转、缩放不变性特征提取及匹配算子，并行高效的实现影像自动特征点检测及匹配。

3)空三解算与点云重建：无需POS数据高效并行解算像片外参数及稀疏点云重建。在完成空三后，将倾斜摄影数据输入服务器，直接生产倾斜摄影模型，在此基础上进行一定人工干预和修饰。

4)稠密点云生成：自动生成大场景稠密光学点云，精度高，完整性好。

5)重建散乱数据表面。

6)无缝映射纹理。

7)全自动匀光匀色。

8)真三维模型数据瓦片化。

将原始三维数据采用金字塔+四叉树的策略切割成多级碎片文件，无缝的建立LOD节点数据，实现实时浏览及网络发布，以OSGB格式输出。

本研究采用的传感器可以从前后左右以及垂直5个角度来进行数据的采集，直接测量物体的角度、坡度、面积、长度、宽度、高度等各个方面。从而得到所拍摄的物体最真实的三维形态，为三维建模提供了高分辨率、高精度的数据来源。目前，StreetFactory和Smart 3D Capture为目前国内外倾斜摄影行业所应用的主要处理软件[8]。

2.3.3 研究结果与精度检验

根据测区实际情况，本研究采集了对于测区2 km2范围内的地物。在Smart 3D Capture软件支持下，基于倾斜摄影三维建模数据运算系统，对采集后的数据进行计算机处理，最终完成了研究区的城市三维模型制作工作。

本研究中抽样20个外业测量点，对于所抽样的数据进行平面及高程精度验证，验证结果如表1所示。经验证，平面高程X精度为0.41 m，Y精度为0.39 m，高程精度为0.44 m，数据精度符合项目要求。

3 结论与讨论

以往的城市三维建模采用的是3dsMax、SketchUp等。主要是基于地形图、航拍影像、人工采集图片或者是激光三维扫描等方式来进行人工手动建模。精度低、效率慢、模型容易失真、纹理变化大、生产成本高等种种缺点使得该方式无法满足实际生产需要。

表1 三维建模精度测量 cm

在无人机倾斜摄影领域，由于其采集数据方式范围广、精度高、分辨率高等种种优点，已经在测绘领域广泛开展应用，并应用于许多复杂城市场景，均取得了不错的效果。并且该技术通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。同时有效提升模型的生产效率，降低了三维模型数据采集的生产成本代价，提高了作业时间。基于以上优点，随着无人机倾斜摄影技术最近几年的快速发展，该项技术在国内外发达地区已经广泛应用于国土、城市建设、规划等诸多行业。

本研究为今后国内外开展类似区域的城市三维模型制作提供了技术参考和依据。