无人机倾斜摄影测量影像处理与三维建模的应用

夏海杰

重庆市二零五勘测设计有限公司

1、无人机倾斜摄影测量技术

无人机低空遥感技术已经经过多年的研究，无人机倾斜摄影测量是摄影测量学科中新兴的技术，是目前国内外研究的热点。无人机倾斜摄影测量另一个难点是倾斜3D模型的建立。传统的3D模型建立，如CAD技术、航空摄影测量技术，它们利用2维信息建立3D立方体，其纹理是依靠专门的3D软件如3DMAX等进行人工粘贴，其工作量较大，生产成本也高。倾斜模型建技术也是借助于专门的系统软件进行建模的，但它是生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型，具有真实的纹理，因此，建立的3D模型更为真实。而且速度快。倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。

2、无人机数字影像匹配

2.1 影像特征提取

特征提取是计算机视觉和图像处理中的一个概念。它指的是使用一台计算机，以提取影像中同名点的图像信息，该信息决定影像中的相同特征。特征提取是将影像上的点进行归类，分别划分为不同的子集，这些子集通常是由一个孤立的点、一条连续的曲线或一个连续的区域组。

影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情况，来确定特征的位置、形状以及大小。影像特征的灰度与周围的影像灰度有比较明显的差异和区别。特征通常按形状划分，可分为点特征、线特征和面特征。点特征主要包含影像中的明显点；线特征是线状地物或面状地物的边缘在影像中的构像。提取点特征的算子称为兴趣数字。

2.2 无人机影像匹配

由于无人机低空摄影测量系统是无人驾驶的飞机，在风力的影响下不容易对无人驾驶飞机进行操作，且会偏离既定的航线，导致相邻影像间的旋偏角大；在无人飞机上数码相机的姿态也会由于风的影像或飞机的动作而不能保持固定不动，这会导致相邻影像之间的旁向重叠度和航向重叠度有较大的变化；无人机在城区飞行时，高耸的建筑物会在相邻影像中存在变形，导致在摄影的影像上无法找到匹配的搜索范围。以上原因均会给多视影像的同名匹配带来困难，并降低了灰度相关的成功率和可靠性，而具有不变性特征的SIFT匹配算法对于影像的旋转、缩放等变化具有较好的适应力。

3、无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用

3.1 基于CAD的建模与航空数字摄影测量技术建模

CAD建模，此种方式需要借助CAD软件来完成，在CAD中，可以直接创建并编辑测区的基本几何形状，并对地物特征进行充分体现，可以正确进行测区规划工作，避免了因信息失误而带来的麻烦。在该软件的应用下，利用CAD中的数据能够直接建立出测区的三维模型，也就是实体模型，该种方式虽然应用效果较佳，但鉴于在建模时会产生极大的数据，数据处理成为了此方面的短板，往往会需要投入很多人力物力。

3.2 基于倾斜摄影测量技术的3D建模

倾斜影像技术是近年来国际测绘遥感领域发展起来的一项新型技术，通过在同一飞行平台上装载多台摄影机，使这些设备能够同时从垂直、任意角度对测区进行影像的采集，能够获取地面地物更全面的信息。对地进行垂直摄影的影像称为正片(一组影像)，而镜头与地面呈一定角度时拍摄的影像为斜片(四组影像)。

倾斜影像有以下特点：(1)从全方位的角度对地物进行观察，真实反映地物的实际情况及周边情况，极大的弥补了正射影像的不足。(2)倾斜影像可以对所测量地物进行高度、长度、角度、坡度等的量测，能够实现单张影像量测，这一技术扩展了倾斜影像技术的应用。(3)对于不同的地物，倾斜影像都能采集到地物的侧面纹理。

对倾斜摄影获得的倾斜影像进行处理之后，利用测绘建模软件能够生成倾斜影像三维模型，模型能够呈现两种成果数据：1)单体模型，它可以利用倾斜摄影提供的倾斜影像丰富影像纹理信息，借助相关的系统软件生产的3D模型框架，如数字摄影测量系统生成的建筑物立方体。通过纹理映射技术(自动)，生产真实的三维模型。2)非单个模型，它也称倾斜模型，这是利用系统软件进行全自动化生产的3D模型，它是通过多是影像数据，顾及多种系统误差，进行联合平差解算，首先生成高密度的点云图，然后自动生成TIN格网模型，最后生成带有真实纹理的3D模型。它最大的优点是全自动化，真实纹理。但它的缺点也较为明显，即每个建筑物不可以进行修改，包括它的纹理信息。

3.3 基于倾斜摄影测量技术的3D建模精度分析

该方式是目前最为先进的技术之一，其中融合了多种先进的技术，使得整体效果得以强化，其优势在于：①在进行拍摄时能够从各个角度进行，将正射影像缺点进行了优化；②应用时其能够对高度、长度以及角度进行高精度测量，也可以进行单张量测，这也是以往技术所不具备的；③在应用到不同的环境中时，其也可以很好的适应，并且支持与其他技术进行结合应用，另外，其覆盖范围较大，应用成本低，具有灵活性，便于完成侧面纹理的拍摄工作。

总之，三维建模的实现也使得二维地理信息体系得到了优化，如今如何更好地将无人机倾斜摄影测量影响处理应用到三维建模中也成为了亟待解决的问题，需要重点加强研究。

[1]何敏，胡勇，赵龙.无人机倾斜摄影测量数据获取及处理探讨[J].测绘与空间地理信息，2017，40(07)：77-79.

[2]杨存英.基于倾斜影像的建筑物提取与参数化三维重建[D].西安科技大学，2016.