智慧城市建设中无人机倾斜摄影测量技术的应用探究

张涛涛

（合肥市测绘设计研究院，安徽 合肥 230001）

0 引言

智慧城市目前已经成为国内外学术界以及相关行业重点研究的一个重点话题。智慧城市在我国正处在快速发展阶段，在建设智慧城市过程中，三维模型数据的生产属于非常重要的环节，同时也是构建城市三维地理信息平台的重要支撑。而智慧城市三维实景模型的构建过程中，传统航测技术通常情况下是利用两张影像进行重叠后来产生立体图像，这种技术在详细描述地面建筑轮廓和纹理信息方面具有极大的局限性，航空倾斜摄影测量技术则可以有效解决这些问题。

1 数据采集及处理分析

1.1 倾斜摄影影像数据采集

根据航空倾斜摄影的相关质量以及参数要求，在针对地面建筑物进行拍摄过程中，航空飞行器应该尽可能采集更多的建筑实体侧面纹理信息。而对于建筑物的三维坐标，可以在精确提取航空拍摄建筑物纹理信息后，全面综合建筑物方位坐标、影像内外方位元素，并通过共线方程投影影像后获取[1]。

1.2 航空倾斜摄影影像处理

1.2.1 归纳数据资料

在获取影像资料后首先需要进行全面整理、归纳，在整理归纳过程中对影像资料是否完整、数据是否可靠进行检查，与此同时严格按照前视、后视、左视、右视、下视的方法进行分类存放，最后对完成所有文件拷贝时间进行严格检查[2]。另外还需要整理飞行器在航拍过程中的飞行姿态信息，将飞行器的坐标信息文件利

图1为倾斜摄影测量影像处理的基本流程。在倾斜摄影测量数据处理过程中的一个难点问题就是如何构建倾斜三维模型。用特定软件打开后，以xyz格式经过转换后最终输出txt文件，此后对作业区范围内的有效点进行展点选取之后，将其对应到相应视影像中的位置中，最后将转角信息进行合并后制作成EO文件[3]。

图1 倾斜摄影测量影像处理基本流程

1.2.2 处理影像资料

2 倾斜摄影三维建模分析

2.1 三维建模方法

三维建模是建立在空三加密数据基础之上，在获取影像拍摄数据信息后利用计算机软件对其进行空三加密处理以及影像匹配，在此基础上就可以获得三维白模建设、纹理映射，最终就可以获取精密的三维模型。

2.2 三维建模基本流程

利用无人机倾斜摄影测量系统对整个测量区域进行空三加密后就可以得到整个区域的大量数据信息，随后针对测量区域的数据密集程度，利用切块分割方法进行分割，在此基础上就可以构建起不规则三角网TIN数据，最终完成三维白模的构建。

在全面综合测量区域的平面矢量图、倾斜摄影正摄影像以及建筑顶端矢量图等相关数据之后构建白模。针对整个模型各个细部结构，可以通过拍摄获取的纹理信息进行分析，并在白模上贴上完成处理后的摄影纹理。利用精准定位信息所获取的坐标数据并结合纹理映射就可以自动、快速的在对应三维模型上贴上影像纹理，这样就可以形成建立在影像纹理基础之上的倾斜摄影三维模型，而且该三维模型具有较高分辨率[4]。

获取三维模型后将其中需要进行后续编辑的模块筛选出来，并充分利用计算机软件进行逐步修补，在修复过程中需要根据“修补—质量控制—再生产模式”的方法进行多次处理，在此基础上就能够获取满足需求的三维成果数据。

3 无人机倾斜摄影技术实际应用分析

3.1 测量区基本概况

本文主要以河北省廊坊市燕郊镇为例，探讨无人机倾斜摄影测量技术在智慧城市建设过程中的应用，燕郊镇作为国家级高新技术开发区一直以来在我国的智慧城市、智慧管网建设过程中处于领先位置，为了保障在燕郊智慧城市的建设过程中能够具备更加可靠、真实的数据支撑，下文将重点针对燕郊镇智慧城市建设过程中无人机倾斜测量技术的应用可行性进行探讨。

3.2 基本技术路线及测量流程

3.2.1 技术路线

在对燕郊镇进行倾斜摄影测量的过程中，整个测量系统主要由飞行平台、控制系统、地面监控、保障辅助设备、数据传输等相关部件共同组成。飞行平台在测量过程中主要完成摄影任务设备的搭载，同时在搭载设备过程中要能满足航空摄影飞行的基本要求；控制系统在摄影测量过程中可以实现对无人机平台自主飞行的控制，同时还可以完成无人机平台的导航及定位等相关任务；地面监控则主要是获取无人机平台在航空测量飞行过程中的空速、飞行高度、飞行方向、飞行姿态、航向、飞行轨迹等相关数据，并进行数据采集、存储、显示和回放。飞行测量过程中的任务设备主要指的是倾斜摄影相机，倾斜摄影相机在测量作业过程中主要完成航空摄影影像的获取和存储；数据传输系统主要是完成飞行控制系统、地面监控系统以及其他无人机搭载设备之间的数据传输以及控制指令传输。此外，要配备一定的地面保障设备来为无人机作业的安全性和有效性提供保障。

3.2.2 测量流程

在测量作业过程中需要针对测量区的高程数据、行政区数据、遥感影像数据进行全面收集和分析，在此基础上来选择更加适用的无人机系统，与此同时完成无人机飞行路线和航高的确定，此外航空摄影作业之前还需要选择合理的气候环境。在实施航空摄影作业的过程中，要严格按照航空摄影既定路线和时间实施全面实地勘察，在完成勘察后要对无人机的起降点进行明确，随后才可以执行飞行摄影作业。在无人机飞行过程中必须要保障对无人机进行良好控制，完成飞行摄影之后要及时对获取数据进行整理和检查，筛选出其中不符合要求的数据类型，根据数据来实施补飞或重新飞行。

3.3 构建三维模型

3.3.1 数据获取和处理

智慧城市实景三维模型的构建需要以无人航测摄影过程中所获取的有效原始影像以及POS数据作为基础。利用先进GPS导航定位系统以及相机陀螺平台来完成无人机姿态的保持，无人机飞行过程中利用Aero－Topll系统和AeroNav软件完成导航。同时配合地面GPS基站，就能够保障飞机GPS与地面基站联测过程中获得较高质量的GPS观测数据，在此基础上可以为后续GPS数据处理进度提供保障[5]。表1为模型的精度统计。

表1 模型精度统计

由于当前无人机倾斜摄影测量过程中多数情况下采取的都是多视角影视匹配技术，因此采集影像收集过程中必须保障航向重叠度和旁向重叠度相对较大，这样才能为构建三维模型提供便利。航空摄影飞行过程中需要对飞行质量进行严格控制，航向重叠度以及旁向重叠度需要分别保持在70%和60%，与此同时要严格将航向弯曲度、旋偏角、倾斜角度等控制在1.5°以下，边界覆盖率也要达到100%，测量方法如下。

（1）在获取数据之后，首先需要对原始影像的饱和度、亮度、色相等进行全面检查，在此基础上完成对原始数据的预处理。

（2）针对POS系统可以利用CORS站或者校验场进行反复校验，并进一步简算POS数据，进而可以针对每一张航空照片获取其相应的外方位元素。

（3）随后进行空中三角测量，在作业过程中需要对相控点数据、POS数据以及影像数据进行综合，将控制点进行加密处理后最终可以获取相对比较精确的外方位元素；空三加密的最终目的是要保障获取每张影像的外方位元素，这也是构建三维模型、获取DSM非常重要的一个环节。因此对影像数据进行处理的过程中，必须要严格控制空三加密精度。本次测绘工程实测数据的处理利用Pix4Dmapper软件来完成空三加密，根据测量项目的测绘要求，要充分保障各测点误差不能超过3个像素，与此同时也要将定向点的误差控制在0.3m的范围内，检查点误差也要严格控制在0.5m的范围内。将加密精度要求和加密进度结果进行详细对比，同时对实测数据空三加密处理过程进行综合，这样就可以判断出空三加密处理结果是否能达到精度要求。

（4）以倾斜影像以及垂直影像数据为基础，再结合空中三角测量数据的最终加密处理成果后，利用影像密集匹配技术就可以获得最终DSM数据。

3.3.2 构建三维模型

（1）在获取DSM数据之后可以结合经过预处理以及增强处理的影像数据来完成纹理映射，同时在实景DSM数据表面来完成具有像素级分辨率纹理的映射，随后就可以利用计算机软件来自动生成具备初级全要素的城市三维模型。

（2）模型数据仍然需要进行进一步修正和补漏，这样才能真正保障城市实景三维模型的精细化。

（3）完成模型构建后要进行详细检查和验收，保障其符合测量要求后才能进行提交。

4 结语

与传统航空摄影测量相比较，无人机倾斜摄影测量技术不仅能够提供精度更高的摄影影像，还可以通过高性能计算机软件获得更加真实化、精细化的三维模型，具有速度快、精度高、整体效果好、成果类型丰富等优点。因此在智慧城市的建设过程中完全可以利用无人机倾斜摄影测量技术来完成实景真三维模型的构建。另外可以充分借助可视化技术、三维仿真技术、GIS技术等，结合三维模型与地下管线实际状况，构建起具备地下管线三维空间展示、查询、漫游等相关功能的系统，这样在智慧城市建设过程中就具备了充足的数据支撑。