无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模及优化方法中的应用

广西精图测绘科技有限公司 周亿萍

无人机倾斜摄影测量技术实际上是以三维建模技术为主要应用的高新测绘技术，采用高精度、高效率，一体化全自动建模技术，成为当前地理信息采集与三维场景构建的重要技术手段。在城市发展规划中，能为城市实景三维建模提供新的技术方向，在助力城市整体空间数据的搭建上起到至关重要的作用。

近些年，无人机倾斜摄影测量技术是应用最多及最广的测绘高新技术，它能从大范围内更多角度高精准、高效率的尽可能采集到更多影像数据，通过对影像数据处理以及整理其他地理信息，大规模的生成逼真的三维数据模型，会在智慧城市、数字城市等未来城市发展中被广泛应用，为城市管理与发展规划构建出精准的城市实景三维地图

1 无人机倾斜摄影测量技术特点及优势

无人机倾斜摄影测量技术主要借助于同一台无人机搭载五部专业测量摄影相机，通过无人机的机动灵活大范围飞行，所搭载的五部相机在飞行过程中从垂直以及四个倾斜角度为40°～-60°之间采集地物侧面的轮廓和纹理信息，并获取完整准确的纹理数据和定位信息，丰富多彩的影像信息给后期三维模型带来更逼真视的觉效果[1]。根据采集到的倾斜影像通过大批量的提取以及自动贴纹理，快速生成实景三维模型。由于无人机倾斜摄影测量技术应用是自动化建模的方式，可以有效缩短建模时间，降低建模成本。该技术特点主要还是通过技术优势的发挥体现出来。在城市三维建模过程中，无人机倾斜摄影测量技术同样发挥出以下技术优势：

(1)当前无人机的应用成本较低、机动性强灵活度高，能实现超低空大范围的飞行多角度对地物测量数据的采集。

(2)一部垂直相机与四部倾斜相机通过无人机低空飞行，获得厘米级高分辨的垂直和倾斜影像，四部倾斜相机从不同角度采集影像，可采集到地物测面更加丰富而真实的纹理信息，有效弥补正摄影只获取地物顶部纹理信息的不足。

(3)能对大范围内的倾斜影像数据快速处理，通过垂直与倾斜影像全自动空三加密，不用人为干预，实现高分辨的影像自动贴图以及高效率的构建出高精度逼真的三维模型。

(4)可多角度的量测、精确的地理定位，实现三维实景重建，通过影像构建的真实三维场景，是带有准确地理位置的坐标信息以及精细表达突出的屋顶、外墙以及地形地貌等地物细节特征，从而生成逼真的三维空间场景，可将获得三维空间场景直接网络发布及共享应用。

2 城市三维建模中无人机倾斜摄影测量技术的主要应用分析

在现代城市发展规划中，城市三维建模是其必然应用的技术手段，无人机倾斜摄影测量技术的应用可满足当前城市三维建模需要。它的自动化建模技术能更快更好完成现代城市三维建模任务，可有效大幅度降低城市三维建模时间，人员的投入，节省建模成本。熟练掌握无人机倾斜摄影测量技术的应用，有助于城市三维模型的建立。因此，无人机倾斜摄影测量技术顺利完成城市实景三维建模必须要严格规范各阶段技术应用要求。包括：无人机及相机性能要求、航线规划设计要求、布设像控点、倾斜数据采集及数据处理关键技术等方面。

2.1 无人机及相机性能要求

无人机按照飞行方式可分为固定翼和旋翼(单旋翼、多旋翼)，动力系统分为：内燃机动力和电池动力两种。测绘用的无人机一般对飞行性能标准要求很高，主要对无人机载重量、实用升限、巡航速度、续航时间，安全性及抗风等级方面都做出了限定，例如：(1)无人机载重量≥2kg；(2)多旋翼巡航速度>6m/s，而固定翼巡航速度>10m/s；(3)电池动力续航时间>25min，内燃机动力续航时间>1h；(4)抗风性要>4级风速；(5)无人机实用升限可达到1000m以上，海拔高度不低于3000m。相机性能要求：获取影像能力、拍摄时间、曝光功能、续拍时间、POS记录功能等方面做出限定，例如：(1)单个镜头>2000万像素；(2)一次曝光>1亿像素；(3)拍摄时间至少要达到90min；(4)能全天候拍摄最好；(5)定点曝光功能，影像重叠度能达到要求。

2.2 航线规划设计要求

在城市三维建模前期需要通过无人机外业进行影像数据采集，应根据城市建筑主体高度，走向以及光照方向事先设置好航飞线路。一般以“井”字航线设置为好，使航线方向确保与测量区的纵线和横线方向一致，航线路径要根据航测区实际情况来确定飞行范围及高度，目的是确保采集影像数据的完整性以及纹理的清晰度，航线规划前提还要将测区周边环境影响因素考虑进去，确保航测时无人机飞行的安全。为了使影像数据采集的准确，航向重叠度应>80%，旁向重叠度应>70%。

2.3 像控点的布设要求

像控点的布设，关系航测影像数据采集的准确度，一定要严格按照要求进行布设，在城市航测区域边及拐角处必须设置控制点位，测区内的点位间距要均匀设点，点位之间距离大约200～300m。像控点布设要尽量选择在平坦且具有醒目的地方，可充分利用城市中地形、地物，如：选择道路拐角点、斑马线直角点以及地物清晰的分界点等作为布设像控点。

2.4 倾斜数据采集及数据处理关键技术

在获取城市航测倾斜数据时，事前应根据规划好的航线以及设置好像控点的测量区域范围大小，合理选择测量使用的无人机与相机，并设置好应用设备的各项参数，航测还要注意天气变化，尽量选择晴朗、无风、少云的天气进行航测数据采集，提高航测成果准确度，影像数据采集后需要及时对数据进行处理，这是城市三维建模重要性基础工作，也是事关三维建模成败的关键环节。数据处理需要经过以下关键技术的应用。

2.4.1 数据预处理

经过航测获取的影像数据，要先进行预处理，主要对POS数据的格式转换、倾斜影像的曝光度调整、对比度调整、色彩曲线、白平衡编辑等。通过倾斜影像预处理后，可获得符合要求的航测遥感图像。

2.4.2 多视影像联合平差

联合平差技术主要是在处理影像数据过程中解决图片之间几何变形以及遮挡问题以及POS数据格式转换处理中可得倾斜图像外方位元素，采用由粗到精的方式在每一张影像图片上进行同名点自动匹配，然后使整体区域网运用光束法进行平差[2]。即以一张影像图片组成的一束光线作为一个平差单元，并以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整个区域最佳地嵌入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系，得到较好的同名点匹配结果。同时使连接点和连接线、POS数据与GPS/IMU数据的倾斜图像运用联合平差计算，确保平差结果符合测量要求。

2.4.3 多视影像密集匹配技术

城市三维建模过程中，需要经过影像密集匹配技术的应用，倾斜影像密集匹配重点是要获取有精确同名点坐标的地物三维信息。然而，在影像密集匹配过程中，很有可能会产生大量冗余信息，若使用单一匹配从倾斜图像中提取三维坐标点很难实现，必须要通过多视角图像匹配来实现倾斜影像图像密集匹配的完成，从而获取高密度DSM点云数据。

2.4.4 实景城市三维模型的输出

在确认影像数据正确后，可进行空三角测量。根据少量的现场控制点，再对控制点进行加密，来获取精确外方位元素，然后再通过多视影像密集匹配找到真彩点云连接点构成三维TIN网格，并根据三维TIN网格中每个三角形瓦片的法线方程与二维图像之间的夹角筛选出对应的最优纹理信息，进行映射纠正，完成地物自动纹理映射，构建出实景城市三维模型。

3 无人机倾斜摄影测量技术城市三维建模问题分析

该技术利用无人机和搭载的小型高分辨的专业相机，实现对城市大范围的进行高效率、高精准的航空测量获取城市地理影像信息。无人机倾斜摄影测量的自动化建模技术能在获取的城市影像信息经过处理和整合后，高效精准的构建出逼真的三维城市地图，为城市规划提供可靠参考依据。然而，该技术的城市三维建模中难免也会受到一些因素的影响，使三维模型建立达不到应有的效果。比如：测量中应用的无人机性能差异或相机分辨率低等问题，使无人机在测量过程中稳定性差，导致测量数据的不够精准以及获取的影像清晰度不够，建模没能达到实际效果，部分模型会出现破洞和凸包等现象。引起模型凸包的因素还有受城市大气环境中噪音的影响。另外，测量过程中受光照条件不同的影响，导致模型的侧面纹理不均匀现象发生，从而会使部分区域出现破洞。而在分辨率低的影响下，很有可能会造成模型边缘出现变形的问题[3]。因此，相关技术人员测量中要善于对出现的问题分析，测量中要不断提高技术应用水平，更好利用无人机倾斜摄影测量技术优化建模方法，不断提升三维建模技术水平，为城市实景三维建模提供更有力的新技术支持。

4 无人机倾斜摄影测量技术城市三维建模优化方法的应用

城市三维建模对智慧城市、数字城市发展规划有着十分重要的作用。当前，无人机倾斜摄影测量技术作为较多应用在城市三维建模主要技术，通过技术的应用能客观真实精准构建出实景城市三维立体模型。该技术高性价、低成本、高效率、高精准在测量中获取地理信息的优势受到了测绘人员的喜爱。然而，无人机倾斜摄影测量技术测量中虽优势诸多，但技术完善和优化仍需有待提升，尤其测绘人员在技术应用水平上要不断提高。

4.1 城市三维建模优化二次处理

为了避免在城市三维建模中出现不利因素，测绘技术人员在技术实际应用过程中，要及时做好相关调整与优化。例如：无人机或相机的选用、测量方案设计以及测量设备参数设置等，确保在城市测量中获取的影像数据达到测量实际要求。在城市三维建模过程中，针对三维模型出现的破洞或凸包等问题，相关技术人员需要考虑采用二次修复方式进行处理，通过破洞修复、凸包抹平等二次优化处理技术以及重新改进地物目标，使构建的三维模型重建或替换。

4.2 城市三维模型的快速修复

在建立的城市三维模型出现畸形或侧面纹理不均匀时，需要对模型进行修复，如何能快速实现城市三维模型的修复。主要通过无人机倾斜摄影测量技术空三加密的方式，利用空三加密成果快速修复三维模型，空三加密技术是三维建模的重要步骤。技术应用是根据各区域间的差异，在区域内均匀分布若干控制点，然后采用立体测图技术对加密的点位高度和平面位置进行计算来获取数据，进而通过空三技术得到重新校正和定向的影像数据，从而使各影像数据之间达到准确叠合的效果。在运用空三加密成果对城市三维模型修复时，技术人员要开发出一套模型辅助编辑系统，然后将获得空三加密成果和初始化三维重建模型一并导入开发的系统内，结合空三技术和空三加密之间的差异，利用空三加密成果对存有缺陷的原始模型目标区域进行几何修复和纹理修补。对开发的模型辅助编辑系统来说，可实现模型同名点的搜索、模型纹理自动提取、模型交互制作。应充分去利用纠正倾斜影像和加密点，对模型纹理的自动提取和定向，完成修复建模。实践证明，使用该方式对模型修复的过程中，所有数据可获得快速提取并通过辅助系统完成自动处理，在空三后的影像上进行地物目标结构线的绘制，然后通过拉伸等方法实现制作城市三维模型的实体及自动贴图，使城市三维模型修复后达到实景三维立体模型效果[4]。

5 结语

无人机倾斜摄影测量技术作为当前应用较多的一种三维建模技术，为城市实景三维建模提供了新的技术方向。该技术能够快速高效、高精准在城市测量中获取多角度高分辨率的遥感影像地理信息，经过相关软件自动化处理，进而连接到三维地理信息平台并自动化构建出城市实景三维模型。在实际三维建模中，无人机倾斜摄影测量技术也难免会受到一些因素的影响，时常构建出来的模型无法达到应用效果。为此，相关技术人员在日常工作中应加强对技术应用的深入分析，促进无人机倾斜摄影测量技术不断完善，进一步优化三维建模方法，更好去满足社会各领域服务的需要。

引用

[1] 李兴久.浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用[J].测绘标准化,2021(1):75-78.

[2] 刘得斌.城市三维建模中无人机倾斜摄影测量分析[J].智能城市,2021(9):57-58.

[3] 王云川,段平,李佳,等.不同航线规划的无人机影像三维建模质量分析[J].遥感信息,2020(2):121-126.

[4] 谭俊杰.关于面向城市规划的倾斜摄影及三维建模技术浅析[J].中小企业管理与科技,2020(22):179-180.