无人机倾斜摄影测量的影像处理技术与应用三维建模系统的研究

苏紫乾 周丽晨

内蒙古有色地质矿业（集团）七队有限责任公司 内蒙古 乌兰浩特 137400

三维模型数据的构建技术是城市“数字城市”信息系统建设中的信息基础，是描述复杂三维城市信息关系的重要空间载体，是建立三维空间数据网络的一门重要信息技术手段。三维数据模型的信息捕获能力和三维模型软件的研究开发设计方式也直接和参考决定了中国城市空间数字化网络建设今后的持续发展。倾斜摄影三维测量新技术是一种在建筑摄影与测量新领域上开发成功的一项新技术产品，在某一个垂直平面建筑上同时配备了多个三维传感器，采集出完整清晰的三维空间建筑信息，可以清晰全面的展示建筑物空间信息数据和二维建筑纹理信息，快速准确创建完整真实立体的三维模型。模型中摄影测量的发展提供了新的见解[1]。无人机倾斜摄影测量采用无人机作为图像传感器支撑平台，具有方便、灵活、快捷等优点，是理想的参考平台。无人机结合自身二维和三维矢量面的优势，实现倾斜单片照片模型技术，通过叠加二维矢量面数据和三维三维数据，实现三维模型搭建场景。

1 无人机倾斜摄影测量技术概述

近年来，随着我国无人机控制技术和数字摄影及测量等技术方面的应用不断地发展，无人机对角线及摄影和测量相关技术应运而生。两者的结合，不仅扩展了遥感影像数据的应用范围，也解决了这一问题。正交角是从垂直、四个对角线和五个维度生成图像的能力，从而提高有关图像的最终物理信息的分辨率。此外，无人机对角线三维立体摄影系统等辅助测量三维建模新技术实现后所创建显示出来的建筑地面三维模型数据将可以进一步帮助业主更好地去配合专业辅助施工建设的人员配合去协助进行地面建筑项目后续工程设计前的地面勘测与规划施工管理设计和设计后期的施工管理测量建模工作，结合GNSS技术的应用和其他先进地面工程三维辅助施工测量与建模等技术，可以进一步更好和充分及时的创建显示出建筑地面物体特征的地面三维信息，实现更为准确与快速可靠的就是三维建模工作[2]。

2 基于无人机倾斜摄影成像系统的快速三维建模方法

2.1 原始数据的处理

数据的预处理数据是实现3D建模能够正常、顺利进行实施过程的基本前提，主要对象包括三维多轴视图图像、POS数据等，这些后处理数据后的三维结果通常需要进行处理运算和数据存储[3]。处理应确保标头重叠大于80%，水平重叠大于50%。在数据存储收集和分析管理等过程中，需要用户根据使用不同的摄像机镜头的拍摄视角分别进行数据分类处理和分类存储，以大大方便客户后续工作的实时数据采集检索。此外，数据处理时和数据记录采集过程中有时会出现数据的检索错误和数据失真，应适时添加POS数据和通过外部的控制点设备进行控制。

2.2 传统影像的航海三角形

采用相同精度的图像点自动测量算法可对数据定向进行优化处理，但如对于无人机进行倾斜角度摄影定向测量，由于需要获得定向的图像数据角度不仅可以是正视角，而且只能是倾斜角度图像数据的角度，传统算法将无法完美满足其实际的需要，利用POS系统的实时观测时间值信息作为进行多维视图图像数据定向分析的最初始计算要素，在此的基础数据上可计算得出每个像素的三维坐标信息，同时可以根据多个连接的图像点之间的点数，结合现场的控制点，通过计算机正常的进行局域网的处理。生成三个控制报告，最终构成空间结构规划和三维图像建模的基础。

2.3 创建密集点云

所谓的密集点云，其实也就是通过跨多个视点来进行图像的匹配与处理，然后在用一套合适的算法去建立一个DSM曲面模型，方便了后续图像模型的快速创建。在最终获得一个DSM数据模型后，还往往需要算法对这个过程数据进行过滤，即最后通过算法组合各种不同类型的图像匹配处理单元，得到了最终的DSM。在后期实际建模操作时和后期处理的过程中，会出现有一些图像数据信息被严重遮挡或被丢失了的一些情况，这无疑将是严重地影响着后续的后期3D建模，需要经过手动进行编辑校正处理和验证处理，以进一步减少后期出现一些问题的可能性[4]。从现有的致密点云发展不规则三角测量。重叠点云信息的值决定了三角测量的复杂性。重叠越大，三角测量越复杂和密集。物体和地貌越复杂，三角测量就越复杂。

2.4 TIN模型的构建

在开发TIN模型之前，需要仔细考虑怎么对高密度的点图和云数据信息进行参考图像进行分割，以尽可能达到或提高模型重新定义时获得的参考图像准确性。建立好了以下几个模型：首先，参考图像信息匹配的策略通常并不是那么容易固定，利用对同一物体图像和对不同物体观察的角度所获取来的参考图像信息来实现按像素大小来进行的图像选择;其次，基于多视角图像在匹配信息过程中数据的高度冗余，避免数据遮挡图像而直接影响数据匹配，引入并行算法将可极大提高云计算中的数据处理性能，快速匹配并更准确地云计算所获取到的多视角图像数据中对应的是同一点名的三维坐标，进而最终实现所得到的高密度目标密度数据中对应的是三维点云计算；第三，基于点云，构建一个具有各种不同网格细节层次结构模型的TIN网格模型，通过优化三角网格的测量网络，根据其与图像上的原始分辨率及其相对应的区域面积的比例系数来自动调整图区内的三角形网格间的空间大小，简化成了一种相对适应于平坦区域分布的三角网格，通过动态分析三角网格间连续面积的空间变化等情况变化来达到逐步地减少网格数据上的表面空间冗余，得到一个基于TIN网格模型的矢量结构。

3 无人机倾斜摄影测量及图像处理软件在城市三维建模工程中的具体应用

城市景观模型是由一个建筑师根据在城市景观设计中采用的比较精确的城市三维模型的地理坐标图和三维城市三维实际的地形纹理数据来进行构建设计出来的一种城市真实感模型，它反过来又会与二维城市的三维实际的城市实际的地形纹理模型相结合而共同构成出了这样一个城市景观模型的城市三维模型76'[5]。带有影像纹理效果的三维立体规划城市模型设计使景观设计界人们能基本上摆脱掉了传统的二维平面地图系统设计的种种束缚，使中国广大三维规划城市系统设计与咨询服务人员、决策者、市民、用户也能对整个三维立体城市景观体系建设过程的一个整体现状和一个模型设计最终得到出来的一个整体结果也会抱有这样的一个十分真实清楚的直观而完整的一个整体印象。城市三维模型与互联网虚拟现实技术和移动互联网平台的无缝结合可以使城市人们都能够在身临共境真切地体验感受一个虚拟世界的逼真生活场景，可以实现在线实时对城市规划及设计活动的实施成果等做一些跟踪评估，让最普通老百姓的市民就能够随时参与投入到整个城市环境的整体规划管理和实施设计实践中里面来。同时该系统中还可以自动提供历史数据查询、分析报告等应用功能。

3.1 三维建模的建模方法

在无人机倾斜摄影和测量等技术尚未广泛深入实施使用之前，城市三维建模技术主要可细分为以下十几类。

3.1.1 基于CAD的建模技术

基于现代建筑CAD技术发展的三维建模技术目前主要是以二维3Ds和三维Max为其优秀代表，它的尤其体现在用于三维构建城市惊喜模型方而显得其具有了其具有较大且独特的三维性能优势。在实际使用的该二维绘图软件过程中，以更大范围的小比例尺地形图资料数据为设计理论基础数据来逐步进行三维模型的设计及构建，模型设计师在实际制作模型后期需要的贴上纹理图片时还可以考虑把后期用相机软件对模型拍照出来后的纹理照片重新进行纠正与处理后，对该三维模型进行重新修改进行重新贴上纹理[6]。

基于城市三维CAD软件提供的三维城市的建模及设计仿真技术可以实现直接构建用于模型设计而构建出的城市建筑三维模型和城市景观三维模型。利用有了利用该新技术后所建立起来的城市三维模型同时也都可以直接被高度还原的方式还原于所建立出来模型的实际建模的对象城市本身。尽管其技术成本普遍较高而且效率偏低，但由于它使用在人们对城市的三维逃行以及三维建模与仿真设计的研究过程中前期，仍然将可能将是在城市领域构建复杂城市三维建模模型时运用的目前最具主要价值技术手段。

3.1.2 激光扫描建模技术

激光三维扫描中的二维建模的技术一般有这两种:机载激光二维扫描三维技术和机载地面激光一维扫描三维建模技术。机载激光扫描技术也可以专门用于快速有效的直接获取二维数字地物而地表模型数据(DTM)、数字表面模型信息(DSM)等等。基于扫描获取得到的所有这些二维数据，再加上高精度数码相机拍摄采集下来的二维照片，可以自动为其所想要构建起来的数字地物三维模型进行拼贴纹理。

3.1.3 基于摄影测量的城市三维建模技术

该系统应用在技术发展中的主要应用包括的有如下技术两类:数字航空实景摄影的三维实时测量及建模技术系统，数字近景航空摄影三维测量模型的实时三维建模技术。数字航空景观摄影实时三维实时测量及其模型系统技术是指一种可以通过直接对一个已成功构建出来三维的模型对象通过重新计算建立出二维的立体像量比对模型系统技术来设计以确保实现对于其三维景观影像对象的实时景观三维图像重现。该立体模型技术所突出的三个主要技术优点是之一即为其应用可以能够很快速且高效的同时完成和构建所量测的区域范围的几乎包含所有的大型复杂建筑物模型的三维立体和三维模型以及各种地形地貌三维景观。数字近景遥感三维摄影数据处理和遥感测量遥感三维建模技术一般来说是指计算机通过对三维算法和系统模型的实时算法与设计，辅以对遥感地物三维图像模型的高分辨率实时遥感摄影图像与卫星影像资料采集来逐步实现与完成计算机对遥感地物立体空间特征的高精度实时三维建模。虽然我们单纯只从一个三维算法模型的直接建模计算角度出发分析问题来说，所能要求的构建而成完整的三维模型都应该充分具有了其基本可靠性、灵活性，但同时它存在缺点的往往则是整个模型仍然需要全部都依靠一个三维算法建模系统来独立设计并完成，П三维算法独立设计也相对较于三维算法直接建模设计这样单一的一种传统三维技术方法系统来讲也较为的难，需要去借助其他更多的新技术的遥感计算系统资源及影像资源。

3.2 基于倾斜摄影和测量技术的三维3D建模系统

倾斜立体垂直影像技术是一种基于在近年来新兴的国际军事测绘领域及军事遥感领域进行最新应用发展及完善综合起来后采用出来的另一项军事新型遥感测绘成像技术，通过能够同时实现在同一片军事飞行的遥感平台片面上可以同时的装载运行着的多台测绘摄影机，使人们通过操作这些军事测绘遥感设备就完全能够实现可以同时地实现的从任何水平到垂直、任意倾斜的垂直角度状态下同时对其所被测的地面区物体图像进行立体垂直影像信号实时的立体垂直遥感采集，能够有效获取了比真实地面地物信息的更全面而真实准确的地理信息。对真实平地景物进行水平垂直摄影后所得的地面水平影像一般又称为地面水平正片(纽影像)，而在摄影机镜头与真实地面垂直平行而呈某一定水平斜角度时则被所拍摄所得地面的垂直平面影像一般称为垂直平行斜片(四纵影像)。

4 结语

综上所述，无人机对角线倾斜摄影三维测量系统技术应用可以用于为整个城市规划及建设规划提供一个有效决策指导，特别重点是能快速高效实现城市三维建模，提供整个建设或规划设计所需大量的实时图像数据信息，辅助设计项目人员快速进行城市规划监管或设计实施工作。随着人类科学技术日新月异的技术不断高速发展，无人机对角线倾斜的摄影与测量新技术应用在中国未来城市交通的城市三维建模工作中还将显示有其更好大的空间发展前景。研究无人机对角线摄影测量方法和无人机三维建模中的有关内容将具有相当重要地学意义，这必然与我国三维智能城市网络建设工程的高速发展也密切的相关。进入一个新时代，人们各方面发展的信息需求都不断得到增加，城镇化趋势已开始成为整个社会发展进步的两个主要发展趋势点之一。近年来，三维智慧城市项目数量正不断在增加，整体规划建设技术需求变化也日益不同，为尽快满足国内该研究领域技术的进一步发展新需求，我国学者将三维无人机对角线摄影及测量等技术研究与三维城市建模工程相结合，取得了比较良好实用的研究效果。