无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用

无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用

欧阳方

攸县规划勘测设计院湖南株洲412300

摘要：倾斜摄影测量通过在一个飞行平台上搭载多台相机，从不同的角度采集地面影像，突破了传统航测只拍摄下视影像的局限，是对航测理论与实践的革命性创新#利用倾斜摄影技术，可以从影像中提取地物空间位置。建筑结构、色彩与纹理等，然后按照统一的坐标系迅速建立城市实景三维数据模型，用户能够直观地从三维模型上判读河流、湖泊、山川、道路、建筑物等，弥补了传统航空摄影及正射影像的不足。

关键词：无人机倾斜摄影技术；三维城市建模；应用

引言

目前，利用航摄影像进行空间变化监测的应用已经比较普遍，尤其在监测城市更新方面已经有成熟的技术方法，但是仍无法解决监测建筑物高度变化的问题。而倾斜摄影三维建模支持三维浏览、量测，包含完整的空间信息，是真实世界的直观表达，在城市建设、工程监测等方面的应用愈加广泛，优势愈加明显。三维城市建模也可以利用三维激光扫描获取地面三维几何数据，运用激光测距原理快速建立物体三维模型，但是该方法不能解决纹理数据获取和处理的问题，纹理贴图依然需要依靠大量人机交互来完成，无法进一步提升城市三维建模质量。

1无人机倾斜摄影测量城市地形的方法

在测量城市地形时，无人机倾斜摄影技术不仅能够真实的反映城市地形情况，不需要耗费大量的人力物力，而且无人机先进的定位技术可以提供精准的地理信息，呈现更丰富的城市影像资料。所测的城市地区周边的真实情况可以通过无人机倾斜摄影的正射影像反映出来，无人机还能从多个角度观察城市地形，城市地形的实际情况能通过无人机得到更加真实的反映，无人机的倾斜摄影可以弥补普通正射影像在测量城市地形中的不足。无人机倾斜摄影在与配套软件的结合运用中实现单张影像测量，可以在测量后的影像中对城市的高度、面积、深度以及长度等方面进行直接测量，扩展了无人机倾斜摄影在城市地形测量行业中的应用。无人机倾斜摄影在测量地形时通过航空摄影，对城市的侧面纹理进行三维立体模型的建设，充分发挥无人机倾斜摄影技术的优势，进行大规模的高空拍摄，提供与城市地形有关的纹理信息，很大程度上降低了城市地形在测量中的三维建模成本。无人机倾斜摄影在城市地形的测量中有4点明显的优势：①可以直观地反映城市周边地形的实际情况。②可以收集城市周边地形相关纹理数据。③可以对城市地形进行单张影像的拍摄。④便于整理的、较小的数据有利于发布数据成果。

2基于无人机倾斜摄影生成三维模型测绘城市地形图的流程

无人机倾斜摄影技术在测量城市地形时主要运用到了三维建模方法。简而言之，通过校检相机、结算数据、空中构建三维建模，将城市地形的影像数据变成三维模型，从而实现三维场景。除了反映被测量的城市实际情况，无人机倾斜摄影得到的数据还可以与高科技先进的定位系统结合，从而得到精准的城市地理位置信息，有效弥补了传统的三维建模在测量城市地形时的缺陷与不足。这种三维建模是无人机倾斜摄影测量结果与参数化技术建模的结合构建来的，最终通过点云数据滤波测量并绘制出具有真实性与精确性的城市地形图。

3三维数据采集

3.1基本要求及技术指标

根据测区基本情况提出的航摄要求，向主管部门申请航飞。经批准后，制定航摄计划。根据实地勘察测区的地形特征和无人机的特点，参考《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影规范》（GB/T15661-2008）对测区进行合理航线设计，基本的基本要求及技术指标如下：（1）所获取影像为真彩色数字影像。（2）像片的重叠度，航向重叠度75%；旁向重叠度75%。（3）影像质量，获取的测区像片应影像清晰、反差适中，彩色色调柔和、鲜艳。（4）漏洞补摄，对各种原因获取的不合格航片（航摄漏洞）要及时补飞，漏洞补摄按原设计航迹进行。（5）后期人工处理：重点处理飞地、飞楼等突出异常模型。

3.2航飞时间

航空影像的质量对航摄飞行的时间有一定的要求，航摄时间受天气条件的制约。具体要求如下：（1）水平能见度≥1500m，垂直能见度≥1000m；（2）多云、阴天为佳，晴天次之。雨天、暴雨天气均不适合飞行作业；（3）在风速小于3级时进行作业，风速超过3级时，获取的倾斜摄影照片将会不利于建模；（4）气流相对稳定：每天的正午气流相对较强，对飞行安全不利，同时也对影像质量影像较大；（5）选择航摄时间，既要保证具有充足的光照度，又要避免过大的阴影。

4技术要点

无人机倾斜摄影及三维建模对像片质量要求较高，在保证足够曝光量的情况下，为了减少像点位移、镜头渐晕的影响，提高影像的信噪比，应综合考虑航摄时的气象条件$航高等因素，选择最佳的曝光参数，由于无人机采用非量测型的单反相机进行航空摄影，其镜头畸变较大，照片边缘变形明显，造成像点$物点不满足三点共线条件，影响空三加密和三维模型建立的精度#因此，利用准确的相机检校文件改正照片的畸变差极其重要，直接影响后续处理能否顺利完成。尽管无人机自带的pos精度较差，但在执行三维重建任务时，应利用该pos数据确定像片间的相对位置关系，软件通过空中三角测量的处理过程自动优化pos数据。如果不为原始影像输入曝光点空间位置数据，会极大地增加连接点匹配的时间，甚至导致失败。在空三加密过程中，由于无人机获取的pos数据精度较差，在有些区域会出现部分像片不入网及空三模型错误的情况，可通过在错误区域周边添加控制点或连接点的方式解决。

5存在的问题与解决措施

无人机倾斜摄影技术后期数据影像匹配时，因倾斜影像的摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的出入，严重影响后续影像空三精度。然而，利用倾斜摄影测量中包含了大量的冗余信息，进行数据的高精度匹配是提高倾斜摄影技术实用性的关键。倾斜摄影测量所形成的三维模型在表达整体的同时，某些地方存在模型缺失或失真等问题。因此，为了三维模型的完整准确地表达需要进行局部区域的补测，常用方法是人工相机拍照或者使用车载近景摄影测量系统进行补测。随着科技的发展，无人机作为倾斜摄影测量实用的载体，为了增加其便携性和灵活性以及续航能力，科技人员正在研制体积小长续航的电池。倾斜摄影测量技术将逐渐成熟，对成果的质量要求会越来越高，选择高分辨率、高曝光次数的相机、规划设计合理的航线与航高对确保成果质量至关重要。

6结束语

近年来，基于无人机倾斜摄影进行三维城市建设得到了快速的发展，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，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。

参考文献：

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