无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用

郑晓亮

（广州市城市规划勘测设计研究院）

1 引言

随着我国社会经济的快速发展，智慧城市建设目标也提上日程。在城市规划建设过程中，传统二维矢量GIS 模式已经很难满足智慧城市的规划需求，需要使用精度更高的三维建模方式。无人机倾斜摄影技术应用到三维城市建模中以后，可以显著提高城市实景数据的采集效率，并借助多个传感器实现后续数据处理与矫正的自动化，在很多城市地区都取得了突出的应用效果。基于这种背景，有必要结合三维城市建模的相关需求和任务，谈一谈无人机倾斜摄影技术的具体应用方式。

2 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用优势

1）成本不高

在使用无人机倾斜摄影技术以后，三维城市建模工作的人力需求显著降低，很多环节都可以实现自动化，降低了人力成本。而无人机技术在快速发展的背景下，硬件成本也有所降低，测绘团队不需要付出太多资金就可以购置到合适的无人机，综合成本并不算太高。相较于其他技术来说，无人机倾斜摄影技术具有显著的成本优势。

2）综合效率较高

无人机倾斜摄影技术所采集的信息具有较强的时效性，同时技术人员也可以借助智慧模块进行数据的智能处理，减少了较多中间环节，使数据处理具有更高效率。

3）使用相对灵活

在三维城市建模过程中，使用无人机倾斜摄影技术可以使建模工作变得更加灵活。这是因为在现代信息技术的支持下，无人机设备可以跟计算机实现互联，实时共享航拍的图像[1]。技术人员在观察这些图像的基础上，可以根据实际情况进行无人机操控，提高航拍过程的灵活性。不仅如此，无人机的飞行速度比较慢，航拍的图像也比较清晰，面对山丘、森林等复杂地形，也可以根据实际地形进行灵活航拍，具有较好的综合成效。

3 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用案例

3.1 项目简介

某城市地区拟开展三维实景建模工作，城区面积接近70km2，其中东西方向最长为10.8km，南北方向最长为7.2km。在本项目中，使用无人机进行倾斜摄影区域的航拍，并完成航拍数据的处理，形成完整的三维城市建模体系。在本项目中，由于城区的建筑相对密集，并且区域内元素也呈现多元化特点，因此要求航拍测量的地面影像分辨率能够处于0.05m以上的状态当中，同时城区建模要求的实际模型精度、高程、平面，都应该为二级城区模型景观的标准。

3.2 无人机倾斜摄影技术的应用分析

无人机倾斜摄影技术主要是指使用无人机搭载摄像头进行倾斜摄影。无人机的飞行是非常稳定的，搭载多镜头的数码高清摄影相机，可以进行地面数据的采集，获得完整的航拍信息。在此基础上，就可以进行后续的三维城市建模工作。在具体使用无人机倾斜摄影技术的时候，需要做好外业航飞控制，保证无人机航拍的标准性与稳定性。通过外业航飞和像控测量等环节，可以构建科学完善的数据采集体系，并形成多视角下三维空中三角测量，形成城市实景三维模型。无人机倾斜摄影技术的具体内容如图1所示。

图1 无人机倾斜摄影技术的构成

3.3 无人机的选型分析

在使用无人机倾斜摄影技术的时候，测绘团队需要结合三维城市建模项目的相关要求，选择合适的无人机。与此同时，无人机的选型也要考虑经济性和使用性能，可以在后续航拍中发挥预期的效果。结合本次项目的实际情况来看，选择了DM-830八旋翼无人机。

3.4 航拍方案设计与应用

在选定无人机型号以后，可以结合项目实际情况，进行航拍方案的设计。①无人机实际上是一个可移动的飞行平台，因此测绘团队可以结合三维城市建模的相关标准和要求，布设对应型号的摄像头和传感器。本项目中使用了拥有5个感应头的摄像机，同时还对摄影机的运行性能进行了检测。在确定没有问题以后，将其安装到无人机上，进行下一步的航拍测绘工作。②测绘团队结合三维城市建模项目的相关要求，以及城市地区的地形信息，进行航线规划设计。航线规划越合理，最终获得的航拍数据质量就越高[2]。因此测绘团队一定要保证航拍路线的科学性。一般来说，选择矩形航拍路线是比较合理的，同时航拍难度也比较低。但是很多项目的测绘区域并不是标准矩形，为不规则的多边形或长条带。本项目的测绘区域为不规则的多边形，因此航拍路线在平行航线折返的基础上，增设几条专项路线，保证所有区域都可以涵盖其中。③测绘团队进行无人机飞行参数的设定，按照预设航线飞行，控制好飞行高度，采集相应的航拍数据。在这个过程中，测绘人员需要利用航飞和像控测量，搜集完整全面的数据，并做好过程控制，保证数据的质量[3]。④在无人机设备返航以后，通过多视角三维空中三角测量技术和真三维模型自动生产手段，进行无人机航拍图像数据的高速处理，生成三维城市模型。

3.5 数据处理

本项目的无人机在航拍过程中，会对数据进行自动加密。在航拍过程中，投影中心点、地面点和像点之间会形成一个三角形，每一个单独提取的影像都是一个解算单元，并找到与其他影像的公共点，最后参照公共点和野外控制点，把所有影像都连接在一起，完成整体平差和加密坐标的处理，实现空中三角测量点的加密。通过这种方式，技术人员就可以根据不同像点的观测值设计对应的误差方程，使用最小二乘法求取平差。这样以后，技术人员就可以在一张相片中提取6个不同参数，获得详细的数据。在获取这些加密数据以后，技术人员还要进行几何方面的调整，完成角度、比例尺等参数的优化处理，进行三维城市建模工作。在这个过程中，技术人员可以使用Harris 算子等工具，进行各个层级数据特征的提取与处理。为了保证数据处理的精准性，需要关注特征点分布的均匀性，对处理过的数据进行密集匹配处理，得到更高精度的DSM 点云，具体如图2所示。

图2 DSM点云

3.6 三维城市建模

在完成上述工作以后，就可以进行坐标模型的构建，完成三维城市建模。这里技术人员使用Bentley Context Cap-ture工具，完成数据处理和模型建设工作。跟其他工具相比，Bentley Context Cap-ture具有更强的还原度，同时误差率也比较低，能够充分应用航拍数据，构建高质量的三维建模。除此之外，使用这个工具也可以实现影像中微小细节的还原，增强边界处理的平滑性和真实性，使三维城市建模成品更加顺滑与和谐，具有较高的精度。本项目使用Bentley Context Cap-ture工具进行了三维城市建模，最终成品可以一体化展示二维与三维的共同特征需求。特别是三维建模成品，可以多源、多尺度展示全空间要素，并实现三维可视化的无缝衔接与浏览。

4 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用策略

4.1 做好各项准备工作

一方面，测绘团队需要搜集完整的城市地形信息，掌握城市区域的实际情况，给后续制定无人机航拍方案提供较好的支撑。在形成无人机航拍方案的时候，测绘团队也要做好方案的审核工作。特别是在确定航拍路线的时候，需要进行可行性分析与预期效果讨论，充分保证航拍路线的科学性。另一方面，测绘团队还要做好无人机设备的选购、航拍摄像设备的安装等多项准备工作，并在航拍开始之前进行试飞，保证各个设备的性能都符合相关要求[4]。

4.2 进行过程动态管理

基于无人机倾斜摄影技术的三维城市建模工作是比较专业的，需要做好全过程动态管控工作，才能够保证最终成品的质量。这也要求测绘团队可以结合每一个工作环节，制定科学合理的管控制度，使得测绘人员清晰明确航拍工作和数据处理工作的标准要求，可以在参与工作的时候，有针对性控制自身行为，保证工作质量。与此同时，测绘团队也可以考虑实行岗位责任制度，使每一个员工都可以清晰明确自身所担负的责任与义务。这样以后，在三维城市建模工作出现失误的时候，就可以追究相关人员的责任，进一步保证工作质量。

4.3 合理使用修复技术

在使用无人机倾斜摄影技术进行三维城市建模时，还要合理使用修复技术。在选择无人机型号和摄像设备型号时，应该结合设备参数设计测量方案，保证测量数据可以满足建模要求。如果发现三维模型存在破洞、凸包等问题，就要使用二次优化技术完成修复工作，具体有破洞修复技术等。与此同时，技术人员还可以结合地物目标进行重新改进，完成实景信息的优化处理。在三维建模的时候如果存在畸形、侧面纹理不均匀等情况，就可以考虑使用模型修复进行快速修复。比如使用空三技术和加密技术的差异性，针对原始模型中存在的缺陷问题进行纹理修补，保证三维建模的成品质量。

5 结语

本文引入了一个三维城市建模工作案例，分析了无人机倾斜摄影技术的具体应用内容，阐明了无人机选型与航拍方案、航拍过程控制、数据处理等多个环节的关键要点，可以给其他同类项目提供较好的参考与指引。后续在具体使用这项技术的时候，测绘团队应该做好过程管理与动态控制，并保证航拍数据的精度，结合相关要求进行数据处理，充分保证三维城市建模的整体质量。