无人机倾斜摄影测量技术在智慧城市建设中的应用研究

范印 李梁 高磊 张克

摘 要：实景真三维模型作为搭建城市智慧化管理平台的基础地理信息数据，在城市规划、智慧旅游、智慧公安等方面起着非常重要的作用。无人机倾斜摄影测量这一新型测绘技术能够自动化、智能化构建实景真三维模型，建模效率高、模型精细逼真，助力智慧城市建设。文章介绍了无人机倾斜摄影测量技术原理，并结合实际工程案例，探讨具体建模流程，分析测绘成果精度，得到真实可靠的结论。

关键词：倾斜摄影测量;实景三维模型;智慧城市

0 引言

近年来，智慧城市建设实践，已成为国内外学术界和实业界所广泛关注的热点。我国也掀起了智慧城市的建设浪潮，而与智慧城市建设密切相关的城市测量技术也引发了全社会的讨论[1]。三维城市模型数据的生产是智慧城市建设的一项基础内容，是建设城市三维地理信息平台的重要组成部分。本文将以无人机倾斜摄影测量实景真三维建模技术为主要研究对象，分析该技术在智慧城市建设中的应用。

1 倾斜摄影测量的关键技术

倾斜摄影测量数据处理的关键技术通常包括区域网联合平差、密集匹配、DSM生成、真正射纠正、三维建模等。

1.1 区域网联合平差

无人机倾斜摄影空中三角测量系统需要使用多幅影像联合平差处理方法来处理倾斜影像。在区域网联合平差过程中，需要注意：（1）结合多视影像外方位元素（线元素和角元素）、利用金字塔影像匹配策略，在不同分辨率层级影像上进行同名点匹配和联合空中三角测量，得到较好的同名点匹配结果。（2）将连接点，控制点坐标，照片位置和姿态等辅助数据，与误差方程进行联合平差解算，以获取高精度的空三结果。

1.2 密集匹配

随着计算机视觉技术的发展，多基元影像密集匹配，已经成为数字摄影测量领域的新兴研究方向。目前，该技术已经可以自动识别与提取建筑物立面特征，对墙面分类、扫描和分割，重构建筑物的立面结构，直接提取建筑高度和外部轮廓信息。

1.3  DSM生成

如何在倾斜摄影测量技术基础上自动获取数字表面模型存在新的技术难点。针对这些问题，根据传感器获取到的影像外方位元素数据，分析与选择合适的影像匹配单元进行最小二乘影像匹配和逐像素级的高精度密集匹配，引入计算机并行算法，提高计算效率。在获取高密度点云数据后，进行滤波抽稀处理，融合不同匹配单元，形成统一的数字表面模型DSM。

1.4 真正射影像纠正

利用生成的数字表模型DSM，使用联合平差以及密集匹配算法，建立物方与像方特征点一一对应的关系，在影像纠正过程中考虑到几何辐射等系统误差的干扰，进行联合平差改正，最后获得真正射影像。

1.5 三维建模

无人机获取地物倾斜摄影影像数据，将数据导入专业建模软件，可以构建实景三维模型，模型成产过程采取自动化、集群化作业方式，效率高、模型精度高、成本低。多视影像数据经过几何校正和联合平差处理，生成高密度点云，构建不规则三角网模型，经过纹理映射，最后得到高分辨率的实景三维模型，模型达到测绘级精度。

2   应用案例

本工程以昆明市中心城区为试验区域，测区面积为       120 km2，介绍三维数字建模的基本流程。

2.1  数据采集

在航飞前根据测区特征进行航线规划和像控布设。本项目测区的飞行航线和像控点布设方案，共布设57个像控点，飞行时设置航高设置为250 m，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，采集垂直影像14万张，倾斜影像56万张。

2.2  三维建模

依据无人机倾斜摄影测量系统获取的有效原始影像和 POS 数据，制作城市实景真三维模型流程如下：（1）将获取到的影像数据、POS数据、控制点坐标数据导入CONTEXT CAPTURE建模软件，进行自动空中三角测量。（2）结合空三加密解算出来的影像外方位元素（线元素和角元素），运用多视影像密集匹配算法解算，生产出由高密度点云构成的具有真实地理景观的数字表面模型。（3）根据离散点云数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面，在连接时尽可能地使每个三角形为锐角三角形或三边的长度近似相等，将区域划分为相连的角面网格，构建出不规则三角网。（4）不规则三角网模型经过纹理映射，附上地物应有纹理颜色，就得到具有真实景观的三维数字城市模型，如图1所示。（5）城市三维模型力求精细化，对生产出的模型要进行修饰。（6）检查并验收模型成果，符合要求后方可提交。

2.3  模型精度检核

三维模型质量直接影响着智慧城市的建设，而模型的精度是评定模型质量非常关键的指标之一。三维模型的精度分析主要包括平面位置精度和高度精度的评定[2]。模型的精度和模型生产效率对地理信息系统的实用性和建设程度影响很大，同时，也为城市规划和合理建设提供重要保障。因此，对模型精度进行评定分析具有重要的理论意义和实际应用价值。测区共选择20个检查点，其精度统计数据如表1所示。

研究区域模型的精度统计结果：X方向中误差为0.020 1 m，误差绝对值最大为0.07;Y方向中误差为  0.019 3 m，误差绝对值最大为0.08;高程坐标中误差为  0.016 5 m，误差绝对值最大为 0.04 m。

从以上计算得到的精度值不难分析出，无人机倾斜摄影三维建模的模型精度分布比较均衡[3-4]，而且生产的模型完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》。

3 结语

本文通过对无人机倾斜摄影测量技术在云南省昆明市智慧城市三维建模项目中的应用研究，得出如下结论：（1）无人机倾斜摄影测量技术通过高效率的实景三维建模，能够还原真实城市和周边地物地貌，很大程度上提高了城市测绘工作的效率。（2）在实景三维模型上均匀抽取了20个检查点，实景模型上检查点的三维坐标与实测坐标值进行比较，计算得到检查点的平面位置和高程中误差：mx=2.01 cm;my=1.93 cm;mz=1.65 cm，模型精度满足智慧城市建设项目要求。

[参考文献]

[1]宁利立.无人机倾斜摄影测量技术在智慧城市建设中的应用研究[J].测绘地理，2018（9）：189-191.

[2]赵福超.无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体测绘中的应用[J].工程建设与设计，2020（24）：252-253.

[3]姚艳丽.基于集群技术的实景三维建模研究[J].路基工程，2020（6）：123-127.

[4]孙亮，夏永華.基于无人机倾斜摄影技术测绘大比例尺地形图的可行性研究[J].价值工程，2017（8）：209-212.

（编辑 姚 鑫）