无人机倾斜摄影测量在三维建模中的应用研究

王永兴，刘明岐

（1.济宁市勘测院，山东 济宁 272000；2.山东省淮河流域水利管理局，山东 济南 250100）

近年来，由于三维数字模型可以形象准确的反应地形地物的客观特征，在数字城市、城市规划、交通运输、工程设计等领域应用广泛。三维建模的难度比二维数据要复杂的多，随着测绘技术的发展和三维建模算法的不断优化，数据获取的方法越来越多，精度越来越高，分析各种三维建模方法的优缺点，深入探讨无人机倾斜摄影测量技术在三维建模中的应用，并分析其精度，很有必要[1]。

1 常用的三维建模方法

按照数据来源分类，常用的三维建模方法有基于基础测绘数据的三维建模方法、基于遥感影像的三维建模方法、基于三维激光扫描数据的三维建模方法、基于过程式的三维建模方法等。

（1）基于基础测绘数据的三维建模方法。该方法首先利用DLG的二维矢量数据获得建筑物轮廓，通过人机交互制成高精度复杂模型；该方法建模的精度较高，但是数据获取成本高，周期长，不适合对大面积的城市建筑群建模。

（2）基于遥感影像的三维建模方法。该方法首先利用相关算法从影像中提取基础数据或者直接生成三维模型。目前最常用的是基于倾斜摄影测量的三维建模方法，是基于倾斜和垂直航拍的影像，经过相机标定、空中三角测量、构建TIN模型以及纹理贴图等过程，全自动完成三维模型的建立。倾斜摄影三维建模精度较高且形象逼真，能够实现大范围的自动化三维建模，但是得到的模型要进行地物分离和单体化则需要较多的人工交互才能完成[2]。

（3）基于三维激光扫描的三维建模方法。利用三维激光扫描仪获取高精度点云数据，经过数据去噪、空间配准、表面重建以及纹理映射等点云数据处理，最终实现建筑物的三维重建基于三维激光扫描的三维建模方法精度较高，但是设备较为昂贵，操作复杂，点云数据的处理也较繁琐，工作量大，大范围的点云数据的后期处理也有较大难度，所以难以推广到对于大规模的三维重建领域。

（4）基于过程式的三维建模方法。该方法是利用参数化方法来构建模型，借助算法来控制建筑物几何造型。该方法主要有三种情况：结合人工智能的方法、采用数学模型的方法以及基于文法的方法。目前该技术的发展方向为多方法的融合，并采用交互控制来增强实用性。此类方法的优势在于人工交互极少，参数可控，建模速度较快，适合大规模的三维重建，且建立的模型属于单体模型，可以查询模型信息，方便后期的应用[3]。

2 基于无人机倾斜摄影测量的三维建模方法

2.1 无人机倾斜摄影测量

（1）无人机倾斜摄影测量简介。无人机倾斜摄影测量系统是一种以无人机为飞行平台，以各类传感器为主要载荷，能够获取遥感影像信息的无人航测数据获取系统。无人机倾斜摄影测量系统主要由无人机飞行平台、任务传感器系统、地面保障系统组成。其中无人机飞行平台主要包括飞行器平台、推进系统、飞行控制与导航系统、机载数据传输系统、机载起降系统等；根据用途和功能不同，常搭载的任务传感器系统主要有多视角航空摄影测量仪器、小径合成孔径雷达、高光谱成像系统、小型机载雷达、气象传感器等；地面保障系统主要包括起降系统地面服务部分、数据传输系统地面部分、地面监控系统、地面后勤人员、其他地面辅助设备等。无人机倾斜摄影测量系统组成见图1。

图1 无人机倾斜摄影测量系统的组成

无人机低空摄影测量系统具有机动灵活、空域限制小、高效快速、成本低廉等一系列优点，极大地补充了传统航测系统的不足，在小区域获取高分辨率影像方面具有显著优势。倾斜摄影测量技术是通过在飞行器上搭载多台传感器，从垂直、倾斜等多个角度拍摄，获取高精度影像，在每个曝光点上，由多个镜头同时获得不同角度的影像；同一特定地物可以在不同曝光点多个不同角度影像上成像。为便于后期对数据进行处理，拍摄影像时自动获取平面位置、曝光时间、航高、大地高、飞行姿态等数据。将无人机与倾斜摄影技术相结合，是实现低成本、快速建立城市实景三维模型的有效方式。由于无人机飞行高度低，所拍摄的倾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼观测颜色，能够显著提高三维模型的真实感。

（2）基于无人机倾斜摄影测量的三维建模流程。基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模流程见图2。

图2 基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模流程图

2.2 倾斜影像的获取

利用具有固定角度的倾斜相机拍摄获取倾斜影像。本研究采用目前国内较成熟的Microdrones md4 旋翼无人机平台搭载DM5-3600航摄仪获取数据，航摄仪由5台索尼7R相机组成，倾斜相机与下视夹角为 38°。

根据三维建模的需要，本项目下视影像设置GSD为0.1m，平均航高200m，航向、旁向重叠度均为80%。根据无人机的续航时间，共计设计18个架次，54条航线。经过数据检查、数据预处理、补摄等流程，得到倾斜摄影影像数据[4]。

2.3 空三平差与三维建模

（1）利用下视影像的概略POS，对下视影像进行空三加密，设置定向点和检查点，通过二者的计算值和实测值的较差分析空三精度，以获得精度较高的下视外方位元素。空三精度必须满足GB/T23236―2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中1∶2000基本定向点和检查点限差要求。

（2）利用下视影像的精确外方位元素，根据下视和侧视（前视、后视、左视、右视）像机之间的角度及位置关系，计算同一摄站各侧视影像的概略外方位元素。

（3）利用每张倾斜影像的内、外方位元素进行POS辅助倾斜影像光束法平差，得到倾斜影像的精确外方位元素。

（4）利用倾斜影像数据及每张影像精确的内、外方位元素进行密集匹配，得到三维密集点云。系统自动对点云数据构建TIN网，同时赋予三角网模型畸变纠正影像纹理，见图3、图4。

图3 TIN网构建和实景三维模型

2.4 精度检核

三维模型生产完成后，使用SDCORS配合全站仪实地对房屋拐角及硬化路面拐角进行测量，每个拐角点独立观测两次，计算与模型解算成果的平面坐标和高程较差，统计分析实景三维模型精度。经统计，倾斜摄影测量实景三维模型与实测检核检核表见表1。可以看出，基于无人机倾斜摄影测量的三维模型精度较高，可以满足项目的要求。

表1 精度检核表

3 结论

近年来，基于无人机倾斜摄影测量进行三维建模发展迅速，成果其具有纹理真实、数据精度高等诸多优点，在未来实景三维城市和智慧城市的建设中将发挥越来越重要的作用。无人机具有快速灵活和成本低廉的特点，促进了倾斜摄影数据的快速获取[5]。无人机技术与倾斜摄影技术相结合为未来数字城市以及智慧城市空间框架数据采集提供了一种新的解决思路。