浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用

张秀雷 袁中朝 林士杰 李昕阳

山东鲁邦地理信息工程有限公司 山东 济南 250101

引言

当前智慧城市已经成为城市未来发展的一个重要方向，在智慧城市的建设过程中，城市实景三维建模是一项重要的建设内容，而无人机倾斜摄影技术对城市三维模型的建立而言，有着非常重要的帮助，但是就无人机倾斜摄影技术的实际应用而言，其本身控制难度较大，对管理要求较高，一旦出现问题，势必会对城市实景三维模型造成影响，最终使得城市规划与建设脱离实际，因此在城市实景三维建模中，不仅要重视无人机倾斜摄影技术的应用，同时还要对其进行重点的把控，才能取得良好的应用效果。

1 无人机倾斜摄影技术及其应用优势概述

所谓无人机倾斜摄影技术指的是在无人机平台上搭载多台摄影系统，以实现从多个角度对目标物进行摄影测量的一种技术。无人机倾斜摄影技术的出现，极大地改变了传统模式下航空摄影只有正射影像的缺陷，通过倾斜摄影系统的布置，能够实现从侧面获取目标信息，避免了盲点以及遮挡而导致获取信息不全面情况的出现。无人机倾斜摄影技术属于新兴的一种测量技术，其不仅对传统的航空摄影技术缺陷进行弥补，同时在应用过程中，还能够同步航速、航向以及坐标等地理信息参数，为测量人员提供更加直接且直观的实景输出。综合来看，无人机倾斜摄影技术主要有以下几个方面的应用优势：

1.1 便捷测量

无人机属于小型飞行器，其起降过程无须过多的地面设备支持，对环境要求也较低，只要在空旷的场所，保证良好的通信条件，通过遥控设备就可以升空进行摄影测量.不仅如此无人机还可以根据测量需求，在不同的高度进行测量，甚至可以实现超低空飞行，实现更为精确地测量。无人机倾斜摄影技术极大地提高了摄影测量的便捷性[1]。

1.2 高效测量

无人机倾斜摄影技术通过多台航摄仪搭载，能够实现从多个角度对地面目标信息的获取，更加真实、直接地反映出目标的信息。另外，无人机倾斜摄影平台搭载了高分辨率的航摄仪，能够实现厘米级的摄影测量需求，在实际应用过程中，能够清晰地获取地面目标的影像数据，反馈出目标的纹理及几何特征。

1.3 自动测量

无人机倾斜摄影技术具备较高的自动化程度，无人机升空后，便可以根据指令的要求，自动进行摄影测量以及数据采集等作业，并且还能够将所获取的影像数据进行实时的记录与输出，为后期三维实景建模奠定基础。

2 无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用

2.1 建模数据的获取

城市实景三维建模所应用到的数据主要包括建模区域的原始影像数据、POS数据以及相机参数等数据，其中原始影像数据的获取需要通过无人机搭载多台航摄仪对目标区域进行多角度的拍摄，进而才能获取多角度的原始影像数据，在影像数据中能够切实反映出建筑物的纹理特征、几何特征[2]。在进行影像采集的时候，必须要对所测量区域的下相关信息资料进行收集，注意其周围的环境，做好准备工作，以确保影像数据采集工作的顺利展开。在实际的测量过程中，应当选择合适的飞行时间、高度，确定好航向以及重叠度，设置合理的像控点密度，以确保原始建模数据的准确性。对于复杂的地形地貌侧面纹理等信息，可通过数码相机现场拍摄的方式进行数据采集工作，以便于后期进行查找对比，以弥补无人机摄影在精度方面的不足之处。 POS数据则是无人机在测量过程中所自动生成的数据，其同原始影像数据存在着对应关系，而相机参数等数据则包括相机焦距、像素、曝光等参数，在摄影测量过程当中，测量系统一般会自动对POS数据以及相机参数进行记录并体现其同影像数据之间的对应关系，以便于为后期的数据处理工作提供参考。

2.2 空中三角测量与计算

倾斜摄影测量所获取的影像数据包括垂直和倾斜两个方面的影像数据，数据的获取更为全面，但同时也使得数据的处理难度得以增加，也对数据测算方式提出了更高的要求，以往同名像点的量测算方式是无法满足需求的。无人机倾斜摄影测量技术通过光束法区域网整体平差的方式，能够实现自动化的空三计算，其中平差单元指的是一张相片形成的一个光束，而平差单元的基础方程则是指中心投影的共线方程，不同的相片产生多个光束，不同光束在区域空间内的平移、旋转，相互交会，便可以实现模型光线最佳的交会，区域模型也便可以通过光束的交会，在坐标控制系统中得到完美的嵌入，使得空间之间的相互位置关系得到最佳的恢复与体现。倾斜摄影测量过程中，会生成动态的POS数据，对此可以将其视为方位元素，在多基线、多特征匹配计算的支持下，通过定向处理，进行空中三角测量，从多个视角实现对目标的拍摄，进而为后续的三维建模打下基础[3]。

2.3 影像数据的处理

无人机倾斜摄影测量主要分为飞行控制系统、地面监控系统以及数据传输系统等几部分组成，在实际的拍摄过程中，通过预先设定好的航线、航高等数据，由这几部分相互协作共同完成对地面相关目标的摄影测量工作，继而获取相对应的数据。但实际上由于多方面因素的影响，所获取的数据可能会存在一定的变形、重叠等情况，因此在获取影像数据之后必须要对其进行进一步的检查与处理，重点在于对影像数据的变形情况、重叠度情况以及其同POS数据之间的对应关系等是否满足建模要求，若是影像数据满足建模要求，则可以通过预处理便可以应用到建模过程当中，若是无法满足要求，则必须要采取措施对影像数据进行一定的修复，促使其满足建模的基本要求，保证三维场景建模的准确性。

2.4 纹理提取

纹理提取的目的是为了在三维模型中对实景进行体现，在点云密集匹配的过程中，按照单模型点云提取的方法对纹理进行提取。也就是说要将整个建模区域分割为不同的子区域，继而分别对子区域进行纹理的匹配与贴附，通过相应的优化，使得子区域能够同纹理机型高效的融合，体现出实景的特征。如此一来不仅使得模型的层次感得到了增强，同时也使得实景建模的质量得以提升。而由于城市环境比较复杂，在实际的纹理提取过程当中，不仅需要根据实际情况对倾斜摄影的相关参数进行科学的设定与调整，同时还要准确摄影目标，合理进行像控点的影像标识工作，在获取相关数据之后，还要对数据一定的结算，进而将各控制点位以及摄影信息在坐标体系中进行体现，利用相关处理软件在信息核对无误后便可以进行导出作业。坐标的构建必须要确保其位置信息同摄影测量信息之间的高度匹配，进而经过相关参数的调整之后，使得数据处理的效率以及准确性都得到提升。摄影测量数据信息导出之后，便可以进行三维立体模型的构建，此时要对倾斜摄影所获取的数据进行进一步的核验，以避免其测量误差超出所规定的范围。数据测图应当按照建模的要求进行，以确保生成的线性画图能够准确贴合实景模型，保证倾斜摄影测量的精确性。

2.5 模型的建立与纠正

三维模型的建立需要借助专业的处理软件，如Context Capture三维建模实景软件，其能够根据所拍摄的多角度影像，在对建模范围以及相关参数设定后，便可以自动化进行点云匹配、纹理关联等操作，实现三维模型的自动创建，并将相关纹理关联到具体的模型当中，促使其具备一定的实景效果。利用软件自动进行建模虽然比较高效，但是其在细节方面仍然存在一定的不足之处，特别是实际测量过程当中，由于测量角度以及尺度方面的误差，很有可能造成相关目标遮挡、阴影等情况的出现，使得模型的精确度受到一定的影响，此时就需要通过影像外的方位元素对其进行进一步的匹配，结合模型的相关算法，对目标的高度、尺寸等相关参数进行进一步的处理，使得所建立的城市实景三维模型的精确性得到进一步的提升。获取高密度的数据之后，必须要通过滤波等方式对数据进行处理，以融合不同的单元构成一体化的数据系统，为实景建模提供数据支持。利用多方位摄影技术开展城市三维实景模型建立的过程当中，应当重视对建筑屋顶等表面信息的获取，辅助以一定的技术手段对其进行优化，科学进行均光处理，使得所建立实景模型的真实性得到充分的体现。

3 无人机倾斜摄影技术的在城市实景三维建模中的局限性

在城市实景三维建模中，通过无人机倾斜摄影技术的应用，实现了高效的影像数据采集与处理，并在建模技术的支持下快速准确进行了三维的实景模型的建立，相对于传统的坐标定位等技术方式而言，无人机倾斜摄影测量技术的优势得到了极大的体现，其构建的城市实景三维模型具备极高的真实性、还原性，在智慧城市的建设过程中，有着极大的应用空间，满足了智慧城市的发展需求。但是就无人机倾斜摄影技术的实际应用来看，其在摄影测量过程中也存在一定的局限性，比如说其摄影过程中容易受到天气、地形地貌等外界环境因素的影响，使得所获取的影像数据产生一定的几何变形或者是数字转化影像噪音过大等情况的出现，此外航拍飞行模式以及比例的设定也会造成数据的不准确，如何采取有效的措施来保证测量过程的精确性，一直是无人机倾斜摄影技术的一个重要应用难题。城市适应三维建模会受到影像精度的影响，在实际的摄影测量过程当中，相关人员就应当注意以下几个方面的要点：首先，无人机倾斜摄影技术的应用应当选择天气状况良好，环境因素稳定、光线充足的状况下进行测量，以避免这些因素对摄影测量的过程形成干扰，保证数据测量的准确性。其次，要做好现场摄影测量的控制，选择合理的控制点，结合现场实际情况，规划合理的航线以及航行高度，并对飞行过程进行控制，保证飞行过程的稳定性。航测的过程当中，工作人员也要结合城市规划设计图纸对坐标进行拾取，保证倾斜摄影测量的专业性，以应对城市复杂的建筑、交通布局。最后，倾斜摄影测量本质上是一种摄影技术，在这其中涉及大量的数据获取、传输以及处理工作，任何一个环节出现问题都会影响到影像数据的准确性，因此必须要强化对各项设备的管理，监测其工作状态，避免在影像数据在这一过程中出现重叠、变形等情况，影响到数据的准确性。

4 结束语

综上所述，无人机倾斜摄影测量计算属于当下一种新兴的摄影测量技术，虽然其在城市实景三维建模中有着较为广泛的应用，但是其实际的应用较为复杂，涉及数据的采集、分析以及模型的建立等诸多内容，需要从多方面对其应用进行管理，才能获取更为准确的数据，建立高质量的城市实景三维模型，为智慧城市的建设提供一定的帮助。