斜航摄影技术的研究与应用

李爱明 张亮 马慧勇 杜郁

摘 要：利用倾斜航空摄影技术对西安市幸福林带建设工程示范段指定区域进行空中航拍，获取该区域高分辨率、多视角航空影像。采用实景三维建模软件对项目区绿化带、核心建筑群等数据进行全要素、真实、准确还原，基于实景三维模型、BIM模型数据、CAD图纸等资料，对批量生成的实景三维数据进行校正和修改，选用虚幻4引擎创建可视化平台，实现场景内的多角度漫游，在数字世界中真实还原再现区域场景面貌，实现了倾斜航空摄影技术的完美应用。

关键词：倾斜摄影;三维建模;幸福林带

中图分类号：P231.2     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）1-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.012

Research and Application of Oblique Aerial Photography Technology

LI Aiming1    ZHANG Liang1    MA Huiyong1    DU Yu2

（1.China Construction Northwest Regional Headquarters（China Construction Silk Road Construction Investment Group Co.， Ltd.，Xi'an 710075，China; 2. Terra InfoTech （Beijing） Co.，Ltd.， Beijing 100192，China）

Abstract： uses oblique aerial photography technology to take aerial aerial photography of the designated area of the Xi'an Xingfu Forest Belt Construction Project Demonstration Section to obtain high-resolution， multi-view aerial images of the area; real-life 3D modeling software is used to analyze the data of the green belt and core building groups in the project area Carry out full-element， true and accurate restoration; based on real-world 3D models， BIM model data， CAD drawings and other materials， correct and modify the real-world 3D data generated in batches; use Unreal 4 engine to create a visualization platform to realize multi-angle roaming in the scene ， Really restore and reproduce the appearance of regional scenes in the digital world， and realize the perfect application of oblique aerial photography technology.

Keywords： oblique photography ;three-dimensional modeling; happiness forest belt

1 項目介绍

西安市幸福林带项目是目前全球最大的地下空间综合利用工程，也是全国最大的城市林带建设项目，省市“重点工程”和西安市最大的市政、民生工程，被誉为“世纪工程”[1]。幸福林带项目位于新城区幸福路，面积约为5.85×0.2 km2，分为地面（景观）、负1（商业）、负2（地下停车场）、负3（地下管廊和地铁）。该项目于2016年启动建设，2021年7月1日对外展示运营。

DEMO选取幸福林带项目示范段指定区域200 m×200 m范围（见图1），利用倾斜航空摄影技术，构建该区域三维真实场景，达到在数字世界中真实还原再现区域场景面貌。

2 建立模型

2.1 地上景观实景三维建模

倾斜航空摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从前方、后方、左侧、右侧和垂直五个角度采集影像，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限性[2]。该技术具有建模速度快、模型表达真实（尤其是侧面纹理和镂空纹理）、建模效率高、全要素表达地物等优点。

本次通过专业飞行器携带专业五镜头倾斜航摄仪对指定200 m×200 m范围区域进行空中航拍，获取该区域高分辨率、多视角航空影像，并进行实景三维建模。

2.1.1 倾斜航空摄影及外业布控。本次采用专业航空飞行器，搭载可见光传感器即倾斜航空摄影专业五镜头航摄仪，对指定200 m×200 m范围区域进行航拍。同时，按照规范要求，进行地面控制点的布设。

①测区踏勘。通过测区踏勘了解作业区的地形概况和地貌特征[3]。

②航线设计。航线设计是倾斜摄影影像质量保障的重要组成部分。进行航线设计时应明确航测范围、影像地面分辨率要求，确认重叠度，考虑风向，确定航摄仪和飞行平台等问题，具体步骤包含以下几方面。第一，航摄仪参数确认。确认航摄仪焦距、传感器尺寸、像元大小等参数，以计算航高。第二，航高确认。根据航摄仪参数，主要是焦距，确认航高。第三，计算相机的航线间距和曝光间距。第四，计算出结果后，再设置控制模块参数，以控制相机的动作。

③航空摄影。在测区附近选定起飞点和降落点后，将以上计算出的航飞参数导入到飞行控制平台，让无人机和航摄仪根据设定参数进行自动巡航拍摄。

航飞参数设置包括相机参数、等距拍照、航高、起飞速度、航线速度、执行完动作返航、航向重叠度、旁向重叠度、航线角度、边距等。

需要注意以下几个方面。第一，无人机开机检查状态、操控模式、传感器状态，测试相机拍照;第二，作业流程：上传航线、开始飞行，监控飞行姿态、气象条件、相机工作状态;第三，返航及续飞：任务执行完或低电自动返航，断点续飞;第四，无人机的飞行安全：风速过大导致无法返航、未留足够紧急电量、障碍物碰撞等;第五，及时导出航拍成果并检查影像质量。

④控制点布设。在整个航测作业中，像控点的布设至关重要。

⑤质量检查。飞行完成后，对航拍成果进行质量检查也是一项十分重要的工作。质量检查的目的是确认无人机采集的航片能够用于内业数据处理，以免造成数据不满足质量要求的情况，这将在很大程度上延误项目实施进度，造成工期延误与预算浪费。

其一，POS质量检查。POS数据包含航片的地理位置信息，其精度会直接影响模型的精度和表现。较为常见的问题是POS丢失、POS数据错位。航飞人员需要检查记录的拍照次数与记录的POS数据是否对应，如有缺失，应及时补救。POS数据错位存在于五镜头数据不能统一拷贝的相机中，一般是人为原因造成。其二，影像质量检查。a.地面分辨率优于0.05 m。b.是否存在漏片现象等问题。如果存在，应采取补救措施;如果数据合格，应及时备份、分类保存好数据，交付内业同事使用。其三，控制点质量检查。a.控制点分布是否均匀，不均匀或者局部缺失需要补测。b.控制点分布是否合理，是否能和地形地貌变化吻合。c.控制点位置是否清晰可判别，不能判别需要重新补测。d.控制点联合平差，平面精度中误差不超过0.12 m，高程精度不超过0.1 m。e.检查采集的地图坐标数据误差，通过测试验证，地图数据误差不应超过5 cm。f.地貌测绘完成后外业采集技术人员将在矿区现场进行地形总貌的检验。

2.1.2 实景三维建模。通过外业航拍获取多角度、高分辨率影像后，采用实景三维建模软件，对指定200 m×200 m范围区域进行实景三维建模，实现对指定200 m×200 m范围区域绿化带、核心建筑群等数据进行全要素、真实、准确还原。所建模型具有真实纹理并能够全要素真实反映建筑物、道路、植被等地物要素的精细结构和空间布局。模型数据采用国家2000大地坐标参考，整体分辨率精度为2 cm，重点建筑分辨率可达毫米级，平面及高程精度满足1∶1 000测绘精度要求。局部效果如图2所示，其中图2（a）为实际航拍图，图2（b）为模型效果图。

①数据预处理。一是数据检查。数据检查项和质量参数如表1所示。二是EO文件制作。EO文件中影像索引文件结构如表2所示。

②影像匀光处理。通常情况下倾斜影像和下视影像会由于光折射存在一定程度上的色调差异，因此需要进行影像匀光处理。

③倾斜摄影空三计算。倾斜摄影空三平差处理最重要的是如何将垂直下视影像和倾斜影像进行联合平差[4]，经处理得到符合精度要求的空三成果，如表3所示。Photomesh全自动空三成果的精度指标为Mean Median Reprojection Error（重投影中误差）。

④实景三维模型构建。模型构建采用分块计算，程序自动选择不同视角上的最佳像对模型，生成三维尺度的密集点云。点云自动转换为不规则三角网TIN模型，基于内在几何关系，将TIN模型进行平滑和优化。根据三维TIN的空间位置信息，获取最佳视角影像纹理，自动赋予模型纹理，输出OSGB格式实景三维模型成果。模型构建逻辑说明如图3所示。

⑤数据分块。Photomesh节点工作以云的方式进行组织管理生产。为了生产作业，将测区分成多个作业区，然后根据每个作业区的相片数量划分作业子区，原则上每个作业子区相片数量最多不超过25 000张，以作业子区中心点为原点，自动进行分块建模。

⑥点云匹配。基于空三平差输出的外方位元素成果，Photemesh可以自动将影像进行匹配，组成三维像对。对Tile内包含的所有三维像对分别进行点云匹配计算，并将这些像对点云进行汇总合并。

⑦三角网生成、纹理贴图。因为所有影像均具有精确位置信息，PhotoMesh可在全部候选影像中自动快速地选取最清晰最好的纹理贴在对应位置的实景三维模型面上，最后输出纹理清晰逼真的实景三维模型。

⑧实景三维模型修改。一是模型核查，重点检查区域有高层建筑及用户指定的重点区域等。二是实景三维模型修改内容，对于存在问题，编辑三角网结构，然后赋予优选纹理。

⑨质量控制。对项目实行多级检核制度。

2.2 指定区域三维建模

由于通过实景三维建模软件批量生成的实景三维模型可能存在破洞、褡裢、纹理扭曲、悬浮等问题。为了保证整体数据精度及展示效果，决定本次通过基于实景三维模型、BIM模型数据、CAD图纸等资料，手工制作场景三维模型数据，如图4所示。并实地赴现场采集纹理贴图数据，在软件内将真实纹理映射至场景模型中，以达到在三维场景中还原现实样貌的目的。

2.3 可视化演示平台

为了提高数据展示效果和浏览体验，笔者选用虚幻4引擎进行数据效果展示，并将手工三维模型导入平台后进行绿化植被等数据的处理，通过虚幻引擎基于物理的光栅化器和光线追踪器，获取逼真的光栅化和光线追踪效果，以及通过引擎内的相关控制模块设置，实现在场景内的多角度漫游效果。

3 结论

倾斜航空摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，可以同时从不同角度采集影像，具有建模速度快、模型表达真实、建模效率高、全要素表达地物等优点。通过对西安市幸福林带建设工程示范段指定区域进行空中摄影并建立模型，充分发挥倾斜航空摄影技术的优点，在数字世界中真实还原再现区域场景面貌，实现了倾斜航空摄影技术的完美应用。

参考文献：

[1] 令狐延，李爱明，马慧勇，等.西安市幸福林带鲁班奖创优的12345工作法[J].工程管理学报，2021，35（2）：137-141.

[2] 俞建康.無人机倾斜摄影测量在立交桥三维重建中的应用[J].测绘通报，2020（10）：106-109.

[3] 赖文辉.倾斜摄影测量在农村地籍测量中的运用[J].住宅与房地产，2019（33）：150.

[4] 魏祖帅.倾斜摄影空中三角测量若干关键技术研究[D].焦作：河南理工大学，2015.

收稿日期：2021-11-09

作者信息：李爱明（1994—），男，硕士，助理工程师，研究方向：桥梁与隧道工程;张亮（1984—），男，本科，工程师，研究方向：土木工程;马慧勇（1977—），男，本科，高级工程师，研究方向：桥梁工程;杜郁（1984—），男，本科，助理工程师，研究方向：地理信息科学。

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