无人机倾斜摄影在实景三维模型生产中的优化研究

王龙

摘要：针对城区影像倾斜摄影空三解算易失败、自动化三维模型存在瓦片接边色差大、悬浮物、建筑底部结构变形、纹理错位等问题，文章在研究摄影测量技术的基础上，对上述问题给出可行的解决方案。文章介绍了倾斜摄影技术，给出了优化空三加密的几种措施，简要描述了自动化建模流程，重点分析了模型存在问题的原因，并提出了可行的解决方案。最后，采用实际案例对优化前后的模型进行了比较。通过比较可知，优化后的模型表征质量更好，模型结构更完整，模型精度更高，可以满足城市三维建模的要求。文章的研究可以为城市精细化实景三维模型的制作提供借鉴。

关键词：无人机；倾斜摄影；空三加密优化；实景三维模型；精细化三维模型

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）13-0116-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

无人机倾斜摄影技术近年来被广泛用于农村、城市实景三维模型生产[1]。农村倾斜摄影作业面积小，航摄影像数量少，空三解算通过率高，而且由于树木等遮挡少，一般模型完整度高[2-3]。三维模型成果主要用来生产高精度地形图，对模型表征质量要求不高，因此倾斜摄影技术用于农村实景三维模型的生产，其自动化程度高，无须过多地对模型进行优化[4]。城市倾斜摄影一般作业面积大，建筑较高，互相遮挡严重，太阳阴影比较深；低空飞行，影像畸变大，在空三解算时，容易出现空三解算失败的问题[5]。由于航摄影像的特点，导致城区自动化建模成果易出现瓦片接边色差大、悬浮物多、建筑底部结构变形、纹理错位等问题[6-7]。一般而言，城市三维模型的建设，其用途更广，对模型要求更高，因此自动化三维模型无法满足城市建模要求，须对模型进行精细化处理。本文从上述问题出发，首先介绍了无人机倾斜摄影技术，对空三加密易失败的原因进行了分析，并提出了几种优化措施；对自动化建模流程进行了简述，重点分析了模型存在问题的原因，并给出了解决方案。最后采用实际项目数据，对部分问题模型进行了优化处理，并对优化前后的模型从表征质量、模型结构完整性和模型精度三方面进行了比对分析。通过分析可知，精细化处理后的模型成果更能满足城市三维模型建设的要求。本文的研究可为城市精细化三维模型建设提供参考。

1 无人机倾斜摄影技术

垂直摄影测量是从空中垂直地面进行航摄，而倾斜摄影则是一种搭载多镜头，从空中多个角度向地面进行摄影的一种作业方式。由于搭载的镜头较多，获取影像的视角更丰富，因此获得的影像信息更加丰富，成果种类也更多。倾斜摄影组合通常有2个镜头、3个镜头、5个镜头甚至更多，其中使用最广泛的是5 个镜头。在航摄过程中，随着无人机沿航线飞行，相机按照一定距离曝光，在航向上获得连续重叠的影像数据，其示意图如图1所示。

2 空三加密优化研究

空三加密是摄影测量数据解算的核心部分。对于倾斜摄影测量来说，由于影像畸变大、冗余度高、影像分辨率差异大，很容易导致空三加密解算失败。为了提升空三加密的成功率，文章从输入数据方面入手，给出了几种优化输入数据的方案，可以在一定程度上提升空三加密解算的成功率。

2.1 优化相机参数

倾斜相机检校成本高，能够提供检校的场地少，因此在实际作业中，很少对相机进行检校。多数情况下采用的是相机自检校，即通过影像之间的关系，在解算影像时优化相机参数。影像数据量大，容易导致解算失败。在优化相机参数时，可通过少量影像数据解算及平差调整，得到精度更高的相机参数数据。

2.2 提升影像质量

空三加密解算的本质是提取同名点，其在影像中体现为像素值。在受到不同外界因素的影响下，同一地物在不同影像上的像素值是不同的；影像匹配是基于像素完成的，航摄影像存在枕形和桶形两种畸变。像素值和影像畸变都会影响空三加密解算的结果，因此需要提升影像质量。对于像素值不同的问题，可采用匀色的方式完成，即选择地物信息丰富的影像作为模板，对所有影像进行匀色处理。对于影像畸变问题，可采用精确的相机参数对影像的畸变进行纠正，也可通过设置蒙板，使影像边缘数据不参与空三加密，从而提升影像的质量。

2.3 优化POS 数据

目前倾斜设备虽然安装了多个相机，但是POS记录设备通常只有一个，负责记录下视相机曝光时的位置和姿态。对于倾斜摄影来说，虽然不同相机的安装位置很接近，但存在一定的角度和距离差异。以下视POS数据代替侧视POS数据进行解算时，不能准确恢复侧视相机曝光时的位置和姿态，因此用下视POS代替侧视POS的精度还须进一步提升。为提升POS精度，常用的方法有以下几种：1） 在已知下视和侧视相机安装位置角度关系的基础上，以下视POS为基准，结合相机安装的距离和角度参数，对侧视POS数据进行解算；2） 借助第三方软件，采用数据解算的方式，不断优化POS数据精度；3） 利用实时差分或者后差分技术，准确解算得到高精度的POS数据结果。

3 自动化三维模型生产

自动化三维模型生产主要包括外业航摄影像数据获取和内业数据解算，其流程如图2所示。

4 精细化三维模型生产

4.1 模型问题产生的原因及解决方案

4.1.1 瓦片接边色差

倾斜摄影由于搭载的相机多且角度朝向不同，因此在航摄过程中，每个相机的进光量是不同的，这导致航拍出来的影像色差差异较大，并且由于建筑物互相遮挡等原因，也导致航摄获取的影像阴影较大。在建模时，模型成果的最小分块是瓦片，建模软件会对瓦片颜色进行整体调整，这也会导致瓦片接边出现色差。

对于瓦片接边出现色差问题，目前主要采用两种方案进行优化。一种是对原始航摄影像进行匀光匀色，这种方式在一定程度上会使影像失真，丢失影像部分信息。另一种方式是利用下视镜头影像生成数字正射影像图，然后将数字正射影像的纹理信息映射到实景三维模型上。由于下视镜头始终垂直地面拍摄，其相机曝光时的进光亮度差异不大，建筑物互相遮挡的影响也较小。瓦片分块采用规则平面格网方式，对高程没有要求，只须保证平面纹理能够映射即可。这为正射影像纹理能够映射到模型上提供了保障。

4.1.2 悬浮物

悬浮物产生的原因是构建的三角网不连续，而三角网的构建是基于多视影像匹配得到的密集点云。对于部分地物，如树木、路灯等，由于树干较细，在点云匹配时，匹配得到的点云较少。按照目前构建三角网的算法，由于点云的点太少，构建三角网就不能连续，因此就会出现悬浮物。

对于悬浮物的处理，目前主要采用两种方案优化。一种是从构建三角网入手，让软件尽可能构建完整连续的三角网，另一种是从删除三角网入手，即将模型场景中的悬浮物删除。构建连续三角网的前提是得到更密集的点云数据，点云数据的获取可以采用激光扫描方式获取，也可以获取更高分辨率的影像。在影像数据解算时，其最高精度是1/2个像素，一般都是1个像素，密集点云计算是基于像素完成的，影像分辨率越高，每个像素对应的面积更小，同一片区域，可以解算得到更多的点云数据成果。删除三角网是指将孤立的、与模型场景不粘连在一起的悬浮物删除，这种方式作业效率高，可操作性强。

4.1.3 建构筑物结构变形与纹理错位

三维模型结构是通过无数个三角网组建而成，而三角网则是基于密集点云创建的，因此决定三维模型结构的主要是密集点云。在航摄过程中，由于建构筑物互相遮挡，航摄视角存在盲区；在数据解算时，密集点云匹配是基于影像数据的。由于航摄盲区的存在，导致生产的建构筑物模型底部结构变形、纹理错位。

对于建构筑物结构变形及纹理错位这种问题，目前主要采用以下几种方案对模型进行优化：1） 航摄影像数据与地面补拍影像数据融合建模。地面补拍数据可以弥补航摄时建构筑物底部影像数据无法获取的问题，将两种方式获取的影像数据融合建模，可以提升数据成果结构的完整性。2） 航摄影像数据与激光点云数据融合建模。建构筑物变形主要是因为点云数量太少，无法准确构建其结构。在采用激光方式获取建构筑物点云数据时，要同步获取每个点对应的纹理数据，构建得到完整的建构筑物结构，并将真实的纹理数据进行映射。3） 基于虚拟立体像对，采集每个建筑物的顶点三维坐标，并将对应的三维坐标连线，构建得到最终的建构筑物轮廓。通过恢复的立体像对，将最佳位置的影像数据映射到建构筑物上。对于纹理错位的情况，联动Photoshop软件进行纹理的修饰与重新映射。

4.2 实际生产模型优化对比

4.2.1 瓦片接边色差优化

本次生产的实景三维模型中，部分瓦片接边色差大，影响了模型成果的质量。为了高效率完成瓦片接边色差的优化，本次采用了下视航摄影像生产数字正射影像，并对瓦片接边区域进行了纹理映射。映射前后的瓦片接边色差对比如图3所示。

通过对比可知，采用正射影像进行映射得到的模型解决了瓦片接边色差的问题，接边区域的过渡更加自然，成果质量也得到了提高。

4.2.2 悬浮物删除

本次生产的实景三维模型中，部分路灯和树木出现了悬浮物。笔者利用智觉空间的修模软件直接对悬浮物进行了删除，删除前后的悬浮物对比如图4所示。

通过对比可知，删除悬浮物后的模型场景表征质量更好，整体场景显得更加清晰。

4.2.3 建构筑物变形拉花处理

对于建构筑物底部结构变形，纹理映射错位的模型，本次采用SVSGeoModeler软件恢复倾斜空三。基于立体像对采集建构筑物轮廓，并完成纹理的映射。随后，联动使用Photoshop软件，对贴图错位的区域进行重新贴图，并将结果重新映射到模型上。如图5所示，是对某栋建筑优化前后的白模对比图，图6是映射纹理后的效果对比图。

利用外业采集的检查点，对自动化三维模型和单体化三维模型精度检测。由检测结果可知，单体化三维模型精度更高。

5 结束语

文章介绍了倾斜摄影技术，并提出了几种解决城区影像空三加密易失败的方案。简述了实景三维模型的生产流程，对模型存在问题的原因进行了分析，并给出了解决方案。以实际作业数据为例，我们从模型表征质量、模型结构和模型精度几个方面进行了比对分析。结果表明：采用本文方案生产的模型更符合城市精细化三维模型制作的要求。文章的研究可为城市精细化三维模型制作提供参考。

参考文献：

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[4] 魏军，于洪雨，靳巧珠，等. 无人机倾斜摄影技术在农村房地一体确权登记项目中的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息，2023，46（2）：60-63.

[4] 张懂庆，魏军，王萍. 三种倾斜摄影建模软件对比分析[J]. 测绘技术装备，2022，24（3）：114-119.

[5]王萍，魏军，苟彦梅. 基于Smart3D和SVS软件的实景三维模型生产[J]. 测绘标准化，2022，38（4）：15-19.

[6] 魏军. 倾斜摄影数据处理成果的质量检查与评定[J]. 测绘，2021，44（3）：124-127.

[7] 张萌萌，乔俊平，张显志，等. 基于城市级的大场景实景三维模型优化技术研究[J]. 测绘技术装备，2023，25（2）：95-99.

【通联编辑：梁书】