无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化

谭仁春，李鹏鹏，文 琳，潘 澄

(1. 武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022；2. 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430022)



无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化

谭仁春1,2，李鹏鹏1,2，文 琳1,2，潘 澄1,2

(1. 武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022；2. 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430022)

介绍了无人机倾斜摄影技术，分析了无人机倾斜摄影在城市三维建模中的应用情况及其在三维城建建模过程和成果中的优劣势，探索总结了一套无人机倾斜摄影城市三维建模的改进方法，将倾斜摄影和MAX等技术有效结合进行城市三维建模，并介绍了利用改进方法在武汉市和柳州市进行三维建模的实践案例，该方法可以指导和推进基于无人机倾斜摄影三维模型的质量改善。

无人机；倾斜摄影测量；三维城市模型；空三加密；模型质量

三维城市运用描述城市地上景观的三维模型来表达数字城市空间信息，是表达城市信息的重要载体，对城市规划、建设、管理和应急响应有着极其重要的作用。

传统的三维城市模型生产制作是结合遥感影像图和地形图来得到精确、逼真的建筑物模型、道路模型及其他景观小品模型，将组成城市要件的各类三维模型集成为三维城市场景[1]。这种方法适合于普通精度的三维城市建模，但是对于高精度、高仿真、大区域的建模，传统方法势必需要投入更多的作业人员，其建模速度、效率及时效难以满足三维城市的应用[2]。

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，无法提高城市三维建模效率和城市三维模型的逼真度。

一、 无人机倾斜摄影测量技术

1. 无人机技术

无人机是利用无线电遥控和自动程序控制的无人飞机或飞行器，包括固定翼、多旋翼、飞艇、直升机等多个机种。

无人机具有机动、快速、经济的优势，其结构简单、机体重量轻、使用成本低、数字化和智能化程度高，应用范围和领域更为广阔，在快速获取国土资源、自然环境、应急救灾现势数据及测绘领域有着突出的效率和优势。

2. 倾斜摄影技术

随着航空摄影技术的创新和发展，倾斜摄影测量技术扩大了遥感影像的应用范围，颠覆了传统航空摄影只从正摄角度采集影像的方式，其运用多角度相机同步获取地面物体各个角度高分辨率的航摄影像。运用倾斜摄影测量技术生产的三维模型真实地反映了符合人眼视觉的城市场景，它结合GNSS技术，将三维城市纳入城市地理信息框架，展现出全面丰富的地理信息，在提升用户体验度的同时大大降低了三维城市建模的成本。

无人机倾斜摄影测量技术特点如下：

1) 无人机飞行高度低，多角度相机组能够多方位、高覆盖获取地物顶面、侧面影像数据。

2) 相邻影像间航向重叠度和旁向重叠度高，影像表达内容丰富。

3) 少量的人工干预，自动化的影像匹配、建模，主要过程由计算机完成。

4) 实体侧面纹理可见：传统的数字正射影像图主要获取实体顶部纹理，而倾斜摄影技术能够同时映射侧面纹理。

5) 综合成本低：无人机倾斜摄影测量技术在数据采集和城市三维模型生产方面具有更高的效率，可以减少时间和人力成本。

3. 国内外发展情况

无人机出现于1917年，早期无人机主要应用于军事领域，用于作战、侦察和民用遥感。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通信技术的发展及各类硬件传感器的面世，无人机性能得到不断提高，应用范围和领域不断拓展，续航时间和载荷重量大幅提高。

文献[3]探讨了摄影测量技术在三维城市建模过程中的各个关键技术环节，充分利用大量倾斜影像以实现城市的三维模型建设。

HereMap面向全球发布了柏林、米兰、马德里、洛杉矶等城市的高分辨率倾斜摄影三维城市模型。其发布的所有倾斜模型都是利用低空飞行器包括无人机采集的倾斜影像重建而成，大区域的倾斜模型被分割为均匀的区块，建立细节层次模型并发布至网络，使用户能够在线浏览城市实景三维模型。

我国的武汉、上海、天津、柳州等多个城市已经开展了基于无人机倾斜摄影测量技术三维城市的研究和模型生产，倾斜摄影测量城市三维建模技术已经用于可视化、城市空间规划和辅助决策等[4]。

二、基于无人机倾斜摄影的三维城市建模方法分析

中国、美国及欧洲部分国家正在开展基于无人机倾斜摄影测量技术的三维城市模型生产和应用[5]，对于城市三维建模，无人机倾斜摄影测量技术有以下优势：

1) 无人机机动性强、成本低，能够满足多种尺度的摄影测量数据采集。

2) 能够快速处理大范围场景的倾斜影像，建立具有高精度的真三维模型[6]。

3) 高分辨率影像自动贴图，能够提高三维模型的生产效率。

4) 是可量测、可定位的三维模型，模型数据可以直接进行网络发布和共享应用。

无人机倾斜摄影测量技术利用航空影像快速数据获取方法，可以一次性处理多幅影像，建立区域初始实景三维模型，该技术能够节约大量人工建模时间成本，提高三维城市发展的效率[5]。

利用无人机倾斜摄影影像进行三维城市模型的生产流程如图1所示。

在实际的生产处理过程中，受无人机等设备、大气环境及软件算法的影响，实际模型会有一定的畸变和错误，引起视觉误差和应用障碍。主要的模型畸变及原因有：

图1 无人机倾斜摄影测量技术三维建模流程

1) 无人机姿态变化和颠簸影响影像重叠度、几何畸变等，造成模型凸包、破洞等。

2) 大气环境噪声引起的模型飞面、凸包等。

3) 不同时段光照引起的模型纹理不均匀、破洞等。

4) 像主点落水而引起的水面缺失等。

5) 影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型边缘平滑等。

引起模型缺陷的原因是多样的、复杂的，这也是当前阶段基于无人机倾斜摄影测量技术进行三维城市建模所面临的不可避免的问题，采用无人机倾斜摄影测量技术快速、高效生产三维城市模型并提高三维城市模型质量是亟待解决的问题。

三、基于无人机倾斜摄影三维城市建模优化方法

如前文所述，基于无人机倾斜摄影测量技术生产的初始三维模型通常有若干种畸变类型，某些畸变是由工程实施过程中难以避免的客观原因造成的，这种情况下，初始生产的实景三维模型难以满足应用需求。

通过分析三维城市模型建设现状和模型成果的缺陷可知，现状三维城市模型需要改进的方面有：

1) 几何修复：对破洞进行修补，凸包抹平并还原，删除飞面等碎部。

2) 细部整饰：重要地物和标志物的三维模型整饰或替换。

3) 纹理修补：替换和修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理等。

实际上，纹理映射和曲面平滑始终伴随着几何修复的过程[7]，如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度，是目前主要的问题之一。

1. 无人机倾斜摄影测量三维城市模型的二次处理

结合传统建模的优点和成熟技术，对无人机倾斜摄影三维成果模型中需要改进的地物目标或区域进行二次处理的技术路线如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影测量三维城市模型的二次处理

2. 利用空三成果快速修复模型

摄影测量空三加密是根据若干均匀分布于区域内的控制点，运用立体测图技术，计算得到匹配加密点的高程和平面位置[8]。空三加密过程是基于倾斜摄影测量技术三维建模的重要步骤，空三运算后的影像是经过校正和绝对定向的，多张影像间的同一匹配点能够准确叠合，影像上的任一点均具有空间几何信息，即具备定位性质和可量测性[9]。

系统性的无人机倾斜摄影测量三维重建成果包括初始化重建三维模型和空三加密成果，两个成果间具有内在的联系，Acute3D、街景工厂及其他倾斜摄影测量软件通常仅展示空三加密结果，利用系统性的成果特别是空三加密成果是提升模型质量的一个途径。

开发一套模型辅助编辑系统，导入空三加密成果和初始化重建三维模型，根据空三技术和空三加密成果的特点，利用空三加密成果，对原始模型缺陷明显的目标和区域进行几何修复和纹理修补工作，主要的工作流程如图3所示。

图3 基于空三建模成果的三维模型处理

该编辑系统的核心功能有三维模型同名点搜索、空三影像纹理自动提取、模型交互制作等，所有功能组织以空三后的影像数据为核心，充分利用纠正的倾斜影像和加密点，进行模型纹理提取和定向、建模。该方法的优点在于倾斜影像纹理提取快捷，自动纹理获取能够节省大量的手动处理时间，系统允许通过同名点将多张影像进行穿刺和对比，选择影像倾斜、变形纠正小的倾斜影像提取纹理并映射[10]；在空三后的影像上绘制地物目标的结构线，并通过拉伸等方法实时制作三维模型实体并自动贴图，形成场景三维模型。

四、 优化方法的建模实践

利用上述基于无人机倾斜摄影测量成果的城市三维模型质量优化方法，在武汉、柳州等地进行了三维城市建模的实践和验证。

在武汉汉正街历史街区与建筑保护项目中，利用无人机对汉正街中央商务区核心区3.46 km2区域进行了十字交叉航线法区域倾斜影像采集。通过倾斜摄影测量技术进行初始三维建模，并对区域内29处重点保护建筑进行了三维精细化建模，利用无人机低空灵活飞行的特点，克服了传统建模无法收集目标物顶部及上部纹理和形态数据的缺陷；同时高质量获取侧面纹理和数据来辅助精细建模，将传统方法与无人机倾斜摄影测量技术相结合，利用传统方法对重点保护建筑进行侧面精细建模，利用无人机倾斜摄影测量技术对顶面进行建模，两手段相结合，完成重点保护建筑的精细建模。对模型局部缺陷进行修补，将重点保护29处建筑模型在倾斜摄影初始三维模型中进行一一替换，并进行模型的一体化集成，如图4所示。

图4 汉正街历史保护建筑三维模型

该项目结合无人机倾斜摄影测量技术和传统建模技术的优点，利用无人机低空飞行采集目标物顶部高清序列影像，解决了倾斜摄影实景模型细节补充和精细建模的问题，丰富了建模数据采集的手段，满足了项目对各类数据精度的需求。

在柳州市城市三维建设项目中，对120 km2多山和建筑密度低的市郊进行三维建模。无人机倾斜影像采集方案采用150 m航高飞行方案，搭载3台相机，单次飞行采集4～6 km2,共计12 GB影像。基于无人机倾斜摄影测量技术实现120 km2初始三维模型建模并导出空三加密影像；同时开发能够导入上述成果的编辑工具，利用模型和空三成果的内在关系，在空三纠正影像上拉伸实体进行白模建模，联动初始三维模型进行补充建模和修缮，抓取影像纹理并自动映射，解决模型畸变和错误的同时提高了模型质量。

柳州市城市三维建模仅有6个月的实施时间，依赖于传统建模的方式需要投入大量的人力、物力、财力及时间成本，并且难以保障模型的一体化集成质量。而利用无人机倾斜摄影测量技术，耗时1个月采集倾斜影像，耗时4个月进行三维模型重建和模型质量提升，耗时1个月用于模型质量检查和成果提交发布,如图5所示。

图5 柳州项目模型重建和置换

五、结束语

在三维城市项目中，随着无人机倾斜摄影测量技术建模范围的增大，快速的倾斜影像采集和自动化空三及建模在效率上显现出强大的优势。但是受不可抗拒因素的影响，无人机倾斜摄影测量技术自动化生产三维模型有一定的限制，模型局部和细节缺陷使得倾斜摄影测量三维模型难以满足应用要求，需要研究基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维模型质量提升方案，本文提出的人工干预方法和空三成果的辅助应用建模优化方案已经在工程和应用项目中进行了验证，对模型中有明显缺陷和不足的局部进行模型修改和重建，大大提升了三维城市模型生产的质量和效率。

[1] SNAVELY N,SEITZ S M，SZELISKI R. Photo Tourism: Exploring Photo Collections in 3D[J]. TOG，2006，25(3):835-846.

[2] 谭仁春,姚岚.城市三维快速建模方法探讨[J].测绘科学,2015,40(5):136-138.

[3] AGARWAL S, SNAVELY N, SIMON I, et al. Building Rome in a Day[C]∥Computer Vision, 2009 IEEE 12th International Conference on IEEE.[S.l.]：IEEE，2009:72-79.

[4] ISDALE L. Tilt Photogrammetry[J]. Australian Surveyor, 1978，29(1)：27-78.

[5] 黄健, 王继. 多视角影像自动化实景三维建模的生产与应用[J]. 测绘通报, 2016(4)：75-78.

[6] XIAO J, GERKE M, VOSSELMAN G. Building Extraction from Oblique Airborne Imagery Based on Robust Façade Detection[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 2012, 68(2):56-68.

[7] 张瑞瑞, 艾海滨, 张力,等. 附加约束条件的半自动复杂建筑物重建方法[J]. 测绘通报, 2015(11):64-68.

[8] VETRIVEL A, GERKE M, KERLE N, et al. Identification of Damage in Buildings Based on Gaps in 3D Point Clouds from Very High Resolution Oblique Airborne Images[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 2015, 105:61-78.

[9] HAMRUNI A M. The Use of Oblique and Vertical Images for 3D Urban Modelling[D].Nottingham：University of Nottingham, 2010.

[10] 闫利, 叶志云. 几何约束条件下的SIFT倾斜影像匹配[J]. 测绘通报, 2016(1):37-40.

Improvement of 3D Urban Modeling Method Based on Unmanned Aerial Vehicle Oblique Photography

TAN Renchun, LI Pengpeng, WEN Lin, PAN Cheng

2016-03-10；

2016-07-12

精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(PE2009-4)

谭仁春(1978—)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为地理信息系统、摄影测量与三维城市建模。E-mail：tanrc@126.com

谭仁春，李鹏鹏，文琳，等.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J].测绘通报，2016(11)：39-42.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0361.

P23

B

0494-0911(2016)11-0039-04