无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用研究

吴玉文

关键词：无人机；倾斜摄影；实景三维建模；空三解算优化；单体化建模

0 引言

近年来，无人机倾斜摄影测量技术发展迅速，尤其是随着实景三维中国建设的提出，加快了倾斜摄影实景三维建模技术的发展和软件的更新。无人机倾斜摄影主要包括两部分内容，即外业影像数据的采集和内业影像数据的解算。对于内业数据的解算，许多学者进行了分析研究。腾月[1]等人对不同类型无人机在大场景实景三维建模中的应用进行了探讨，并对不同的作业方式效率和精度进行了分析。钟亮[2]等人对无人机倾斜摄影测量技术从外业和内业两方面进行了介绍，并以实际项目为例，验证了生产的实景三维模型其坐标精度和边长精度，均可以满足城市实景三维模型建设的精度要求。孙树芳[3]以无人机数据为例，采用CCC软件进行建模，对空三注意事项进行了探讨，并得出基于倾斜摄影技术生产的模型，精度可以满足城市三维地理信息模型数据产品规范相关要求。田海林[4]和魏军[5]分别对倾斜摄影建模流程进行了介绍，并以实际项目为例进行了分析。王萍等[6]对倾斜摄影建模存在的问题进行了分析，并提出了模型优化的具体方案，取得了不错的效果。魏军[7]从可调整质量元素及权重的检查方面入手，对不同项目下模型的质量评价提出了对应的方案，并对模型质量存在的问题及原因进行了分析。本文结合实际生产经验，对空三精度低、易失败的问题进行了分析，并提出了解决方案。以实际项目为例，对提出的方案进行了验证，并且对模型存在拉花变形的问题，提出了采用SVSModeler软件进行模型单体化的方法，得到了质量更高的模型成果，有效解决了倾斜摄影空三解算精度低、易失败的问题和模型拉花变形的问题，为城市实景三维建模提供了借鉴。

1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影技术是基于传统摄影测量技术的基础上进一步发展的产物，其解决了传统摄影测量技术中地面正射影像获取困难的问题。倾斜摄影测量技术利用无人机作为摄影平台，通过搭配多个传感器与摄影镜头，获取多层次、多维度的地物信息。图1 为倾斜摄影测量技术的基本原理。

倾斜摄影系统主要包括双镜头和五镜头倾斜摄影系统。双镜头倾斜摄影系统弥补了单一视角下影像信息量不足的特点，有效减少了户外工作量以及无人机的自重。五镜头倾斜摄影系统相较于双镜头以及传统的测量系统，其数据量更为庞大，采集的影像更为全面，构建的三维模型更加精确，图2（a） 、（b） 分别为双镜头、五镜头倾斜摄影系统。

2 倾斜摄影空三分析

倾斜影像空中三角测量解算成果的影响因素除了与软件算法有关外，还与输入软件的参数有关。输入软件的参数主要包括影像、相机参数和POS数据。下面将对不同参数对空三解算精度和成功率的影响进行分析，并提出可行的解决方案。

2.1 影像对空三解算的影响

影像对空三解算的影响主要从两方面入手，即影像的质量和影像的分辨率。影像的质量主要是影像表征的质量，即影像的对比度、不同地物的易辨别度、影像是否存在云影等。对于存在云影的问题，在保证重叠度等条件满足建模的情况下，可以将这部分影像进行剔除。对于影像对比度低的问题，可采用对比度拉伸的方式提升影像对比度。而对于影像模糊、地物不易辨别的问题，可采用影像匀光匀色技术提升影像的可辨别度和整体表征质量。影像的分辨率主要影响影像的准确匹配平差，当分辨率相同时，影像匹配平差最容易通过。然而，当分辨率差异较大时，可能会导致平差。将分辨率低的影像对应的同名点当粗差点进行剔除，从而导致平差结束后，部分影像被剔除，不能满足建模需求，使空三成果不可用。解决影像分辨率问题主要与航摄像机的组合和航摄高度有关。对于五镜头倾斜相机，一般侧视和下视呈45度角，为了保证分辨率一致，侧视相机焦距须为下视相机焦距的1.4倍。当地面起伏差异大时，如果采用固定航高飞行，则获取的影像分辨率相差较大，这时需要采用仿地飞行技术，以确保获取的影像分辨率尽可能一致。

2.2 相机参数对空三的影响

目前倾斜相机检校成本高，且检校场地有限，因此在实际生产中很少对相机进行检校。然而，准确的相机参数作为输入初始值对空三的解算效率和精度也有一定影响。解决相机参数精度可采用软件自检校的方式。即通过对少量影像进行解算，得到相机参数，再将解算后的参数作为初始值输入软件，再次进行解算，得到新的相机参数。按照相同的方法不断对相机参数进行迭代优化，直到相机参数趋于稳定，则将其作为最终结果输入软件中，对所有影像进行解算。

2.3 POS 对空三的影响

POS记录的是相机曝光时的位置和姿态，与影像的关系是一一对应的，因此高精度的POS直接影响着影像的解算效率和精度。目前POS数据优化主要采取的方法有：通过差分数据解算，从而解算得到精度更高的POS数据；通过第三方软件对POS数据进行优化，提高POS数据的精度；目前倾斜设备POS数据记录的是下视相机的，结合相机之间的安置参数，可以解算得到每个相机曝光时的位置和姿态，这样实现了POS数据的优化，提升了数据的解算精度。

3 城市实景三维模型建设

倾斜摄影在城市实景三维建模中的流程主要包括外业和内业两部分，具体的作业流程如图3所示。

3.1 无人机航空摄影

本次数据来源于实景三维中国建设项目。某城区要生产城镇建成区50 km?的实景三维模型，采用多旋翼无人机搭载五镜头航摄仪完成影像数据的采集，共获得1.5 cm分辨率的影像约10万张。在获取数据的过程中，周期较长，部分影像对比度低，另一部分影像较模糊，这可能会影响后期成果的质量，因此需要进一步进行处理。

3.2 数据预处理

采用Photoshop软件，创建动作命令，对对比度低的架次影像进行对比度拉伸处理。首先选择一张地物信息丰富、具有代表性的影像进行对比度拉伸操作，得到较好的效果后，将调整的参数等步骤记录下来。通过创建的动作，可以批量对剩余影像进行对比度拉伸处理。对于模糊的影像，通过查看可知主要原因是存在薄雾，采用专业的匀光匀色软件，对原始影像中的薄雾进行去除，提升了影像的清晰度。

相机参数采用航飞质量较高的某一架次影像进行解算，并通过转刺像控点、平差调整的方式，得到最终趋于稳定的相机参数。这些参数被作为后续所有影像数据解算的初始值。

3.3 空中三角测量解算

空中三角测量解算是倾斜影像数据解算中最重要的一步，直接影响着后续成果的质量和精度。本次航摄影像约10万张，结合硬件配置和软件，将其分为两个部分进行解算。每个部分约5.5万张影像，接边区域重叠约500 m的距离，并利用公共像控点对后期接边精度进行约束控制。本次数据解算采用瞰景Smart3D2021软件，将优化后的影像数据和相机参数作为初始值导入软件中，再导入航摄时获取的POS数据，进行空中三角测量解算。通过像控点的转刺平差，两部分空三像控点精度，其三维较差最大为0.015m，成果精度良好，可直接用于后续模型数据的生产。

3.4 实景三维模型生产

为了保证接边区域模型的精度和完整度，本次在模型生产时将两部分空三成果合并，然后再次平差调整，将接边区域粗差较大的同名点剔除，从而保证该区域模型的完整度和精度。结合电脑配置，本次生产模型大小为100m×100m，格式选择OSGB 和3dtile 两种格式，部分生产的三维模型成果如图4所示。

3.5 精度分析

对于模型精度的检测，主要从模型的点位精度和边长精度入手。利用GPS-RTK采集30个检测点，用来检测模型的点位精度，检测点主要有地物点、房角点等。利用全站仪和钢尺测量了20条建筑物边长，主要包括房屋边长和房屋高度。在EPS软件中，对模型点位精度进行测量对比分析，得到本次生产的模型平面较差最大为0.078 m，高程较差最大为0.081 m，平面位置中误差为0.045 m，高程中误差为0.041 m。利用Smart3DCapture Viewer软件获取建筑物的边长，并和外业获取的实际长度进行比较，得到本次模型边长最大较差为0.124 m，平均边长较差为0.089 m。从点位精度和边长精度分析，本次生产的模型精度均满足城市三维模型建设的要求。

4 实景三维模型优化

为了提升模型成果的质量，本次在自动化构建模型的基础上，采用SVSModeler软件对部分建构筑物进行了单体化制作，单体化模型制作流程如图5所示。

按照实景三维中国建设的相关要求，本次采用单体化模型制作方式，对模型进行优化，某一建筑局部优化前后的对比图如图6所示。

5 结束语

本文介绍了倾斜摄影测量的原理，并对倾斜空三存在的问题进行了分析，提出了对应的解决方案。通过实际项目验证了这些方案的可行性。最后，对自动化生产的模型存在的拉花变形问题进行了分析，并提出了采用SVSModeler软件单体化建模的解决方案。本文的研究可以为城市实景三维建模提供参考。