低空摄影测量在三维虚拟场景中的应用研究

张晓珺

摘要：科技发展的日新月异为人类带来了很多便利，也为各行各业攻克技术难题提供了无限可能。小区域空间测量一直是困扰测绘人员的一大难题，但低空摄影测量技术的出现成功的解决了这一难题。本文将低空摄影测量与三维虚拟场景构建密切结合起来，主要介绍低空摄影测量的相关概念、国内外现状、关键技术以及低空摄影测量在三维虚拟场景构建中的应用，这些应用主要包括三维虚拟场景构建中所需要的基本数据的采集、场景和界面的优化方法等，为三维虚拟场景设计提供参考。

关键词：三维图像；虚拟场景；低空摄影测量

随着摄影测量技术的改进和以无人机为代表的低成本摄影平台的逐步改善，低空摄影测量成为可能。与传统的摄影测量方法相比，低空摄影测量可以全方位、多角度地对测量对象进行摄影，呈现出拍摄对象的全貌。不仅如此，低空摄影测量还能大大提高拍摄质量和拍摄效率，降低工作人员的摄影测量工作强度，而传统的摄影测绘则不具有这些优势。由于低空摄影测量使用先进的飞行装置，因此在摄影时可以不受空间的约束，自如进行摄影。人类的绘图模式也在发生着翻天覆地的变化，由最初的二维制图发展到立体的三维制图，再到现如今的三维虚拟场景构建，场景越来越立体化地呈现在我们眼前，使观者犹如身临其境。在三维虚拟场景的构建中，低空摄影测量为整个场景构建提供了二维图像及相对方位信息，是整个场景构建过程的基础。三维虚拟场景被越来越多地提及，如数字校园、数字城市等的构建就是通过三维虚拟场景来实现的。

一、低空摄影测量简介

1、低空摄影测量概念

顾名思义，低空摄影测量就是在规定的低空范围内，通过将拍摄器械安装到飞行装置的合适位置，进行空间上的地形地貌数据或建筑数据测量，而飞行装置上升的高度须控制在1000米以下。常用的飞行装置有无人机、无人飞艇等，气球也曾被用作低空摄影测量的搭载工具，但不易对气球的运动进行控制，拍摄角度受限，因此实际使用的不多。随着无人机的普及，很多小范围的空间摄影测量都开始使用无人机作为摄影器械的搭载工具。这种飞行器成本较低，结构设计相当简单，但比较稳定，十分适合作为低空摄影测量的搭载平台。而且无人机采用遥感技术，可以随时将摄影信息传回控制台，使控制人员及时了解低空摄影测量的具体情况，并通过远程控制使无人机调整方向和角度，拍摄预期画面。

2、低空摄影测量现状

目前，国内外都比较重视这一测量方法的研究和应用，并且技术手段也在不断提高。数据处理系统是低空摄影测量中的重要系统，国内外的技术都已经比较成熟，我国常见的有JX4系统和Virtuozo系统。在众多科技人员的辛勤努力之下，我国的数字摄影测量系统取得了很大的进步，在走向自动化的道路上迈进了一大步，比较典型的代表有DPGfid系统，GEOWAYCIPS系统等。数据处理的精度和效率在不断提高，较为明显的是高程精度的变化，这主要是通过多基线的处理方法，将不同角度不同距离拍摄的影像数据进行分析匹配，采用图像融合技术结合无人机的遥感数据传输功能对实时获得的影像资料进行三维建模，并通过模型校验不断改进，将现实场景通过三维建模方式以立体的形式呈现出来。低空摄影测量的应用范围极为广泛，不仅可以用于建筑上的测量，还可以帮助进行灾难救援，无人机可以拍摄受灾情况，使救援人员及时了解灾情，以便制定合理的救援计划。

3、低空摄影测量的主要技术

低空摄影测量的技术较为较为先进，首先讨论遥感平台技术。这种技术的性价比直接关系到拍摄的质量和效率，因此该技术的不断发展是低空摄影测量得以广泛推行的基础。在改善性能降低成本的同时，要考虑到飞行高度、精度及航行时间等因素，不能以牺牲这些关键指标来盲目降低成本，导致拍摄效果不尽如人意。其次，是遥感传感器技术，这种技术对相机的要求较高，需要相机不仅要质量轻，而且要具备储存大量图像的容量，还要具有较高的摄影参数。而目前，市面上大多数相机都达不到这一标准。低空摄影测量的目的不同，需要使用的相机类型可能也会有差异。如有些低空摄影测量需要使用红外相机，而另一些需要使用多光谱相机，因此应根据不同的需求来开展相机研发工作。

二、三维虚拟场景构建

1、基本数据采集和处理

三维虚拟场景的构建需要低空摄影测量为其提供基本的数据，因此纹理数据的准确与否直接关系到三维虚拟场景的构建是否与现实相符。采集纹理数据需要用专业的软件进行纹理映射处理，可以结合实际情况，将单幅正摄影像分成几部分，化整为零，方便系统加载，数据加载完成后进行拼接。建筑物不同位置的纹理数据采集方法不太相同。顶部纹理直接在正射影像上獲取，侧面则不能这样得到，应该通过对实地低空摄影测量图像进行处理得到。根据建筑物的风格样式、共同点和不同点，建立公共纹理库，可提高工作效率。

2、场景及界面优化

三维场景的设计和界面优化也包括很多细节方面的问题。就光源问题来说，整个场景的光线应该比较集中，充分反映出各个结构之间的联系和区别。针对这一点，聚光灯光源的效果较好，通过利用光的物理特性，改善场景的亮度效果。在构建三维室外虚拟场景时，不仅要构建建筑物，还要添加一些花草树木起点缀作用，让整个场景看起来不至于死气沉沉，了无生机。还可以在场景中添加音乐，进行气氛渲染。Clipping Planes边界内部的物体会被渲染，这样就大大降低了系统的工作效率，解决方案是在参数设置中设置60°角。

结束语：低空摄影测量的实现为完整的三维虚拟场景构建提供了重要的数据，前者是后者的基础。利用前者的数据构建的三维虚拟场景重现了真实建筑的模样，使人们能够全面具体地了解建筑的整体状况和详细参数，为建筑设计和建筑规划提供了一种便捷方法。endprint