无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用探讨

文翠兰

摘 要：三维城市使用描绘城市地表景观的三维立体模型来展示城市的空间构型信息，可以说是城市信息不可或缺的载体。对于城市的规划、创建、维护以及应急来说含有非常重要的用途，三维城市已经全面地呈现出它在经济和实用方面的有利价值。倾斜摄影技术合理的将定位、图像、摄影等多方面的技术融合在一起，在速度极快的物体上捆绑摄影、定位设备，可以更加全面、快速、精准地采集相关地理信息。所以无人机倾斜摄影技术已经被广泛应用于各个领域。

关键词：无人机倾斜摄影技术；城市三维建模；应用

1无人机倾斜摄影技术的原理及优点

1）无人机倾斜摄影可以快速、高精度的反映研究区的真实状况，相比于数字正摄影像，他可以从不同的角度去获取数据，显示效果更加真实、立体，从而极大弥补正摄影像应用的狭隘性。

2）在测绘领域单张影像的快速测量，利用无人机倾斜摄影技术可以快速的实现。在倾斜摄影测量工作中，可以直接测量物体的角度、坡度、面积、长度、宽度、高度等各个方面，该项技术快速、并且精度高，极大的拓展了倾斜摄影测量技术在测绘和地理信息领域的应用。

3）无人机倾斜摄影技术可以对建筑物的立面和侧面的纹理进行采集。以往城市三维建模工作，都是由人工采集纹理数据，再进行三维建模，这种作业方式效率低，成本高。无人机倾斜摄影技术可以应用在三维建模领域，利用无人机航空摄影可以快速大面积成图的优点，以及对建筑物的立面和侧面的纹理进行采集的方式，可以极大地提高三维建模效率并降低了其成本。

4）无人机倾斜摄影技术所收集的数据极易于网络发布，并且数据量小。以往的传统人工三维建模工作，往往因为数据量大，操作不方便。而倾斜摄影技术采集的数据要小的多，这样的话可以将获取的数据快速进行网络发布，从而实现共享应用。

5）应用领域比较广泛。无人机倾斜摄影技术既可以反映测区的真实地表情况，并且该技术包含过高精度的定位系统，在实际飞行中可以赋予成果数据高精度的空间地理信息，极大扩展了数据的应用领域，不仅仅是在测绘与地理信息行业，在其他相关行业也可以得到應用。

基于以上优点，随着无人机倾斜摄影技术最近几年的快速发展，该项技术在国内外发达地区已经广泛应用于国土勘查、城市建设、规划等诸多行业。

2无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用

2.1无人机数据获取

文中以黄山市屯溪区为例， 本测区范围共88.46平方公里，测区内居民地比较集中，基本为街区式、徽派建筑，郊区农村民居多为散列式房屋。当地中央子午线为118°30′，飞行环境良好。

航摄工作由飞燕航空遥感技术有限公司承担，下视影像地面分辨率优于等于0.02m，测区航线沿直线方向布设，平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头，以便获取测区范围有效影像。为确保无人机航拍影像的质量，每个架次都增加了航带及各航带的照片数量，使其航向重叠不低于80%，旁向重叠不低于60%，采用等距离间隔曝光模式进行拍摄。

2.2数据处理技术流程

采用Smart3D专业软件对采集的数据进行分析处理，该软件能够无须人工干预地利用连续多角度影像，生成高密度点云，并在此基础上全自动地将纹理映射到对应的模型上，快速生成具有真实影像纹理的城市三维场景。

2.3影像预处理

无人机拍摄影像完成后，需对获取的影像进行质量检查，检查内容包括影像质量、文件格式、影像的重叠度、影像变形及POS信息与影像对应关系等，对质量不佳的影像进行修复。此外，为保证影像色彩整体美观要求，还需对原始影像进行匀光匀色，确保整个测区影像数据整体色调一致，且单张相片无偏色。

2.4空三加密及实景三维模型构建

基于Smart3D专业软件平台，对多视影像进行区域网联合平差，结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，对每级影像进行同名点获取、自动匹配及自由网光束法平差。利用影像密集匹配技术自动匹配出所有影像中的同名点坐标，进而生成对应地物高密度点云数据，精确地表达该区域的地物细节。

基于点云数据来构建地物三角网（TIN）模型，优化三角网，将内部三角的尺寸调整至与原始影像分辨相匹配的比例，分析连续曲面的变化，并简化相对平坦地区的三角网，降低数据冗余，构建TIN模型矢量框架。利用空三加密建立影像之间的三角关系形成TIN，再由TIN构成白模，软件自动从影像中获取对应的纹理，并将纠正后的影像纹理赋予到对应的白模上，最终生成测区实景三维模型。

2.5精度分析与效率对比

本项目为三维模型生产项目，像控点布设采用区域网布设。像控点采用AHCORS系统网络RTK方式测量，实际作业中，高程控制点按平高控制点实测；在进行布点前，先根据范围和设计航线对测区进行基本的分区，分区时尽可能采用矩形，再根据分区情况进行布设，区与区接边的部分保证有3个及以上的控制点共用，以保证模型的接边精度；测区像控点进行区域网布点时，按每平方公里布设3个像控点、3个检查点。检查点应选在影像清晰、目标明确的地方；不规则区域网布点时，应在凹凸拐角处加布平高点；像控点一般应布设在航旁向重叠范围内，使布设的像控点尽量公用。

根据技术设计书的要求，三维产品上明显地物点相对于附近野外控制点的平面位置中误差不大于0.5米，高程中误差不大于0.8米，在分区时，空三加密区之间旁向范围要超出分区边界不少于3条基线；航向超出分区边界不少于7条基线，以保证控制点量测精度和边界处模型纹理完整要求。

像控点和检查点均基于AHCORS系统，采用GPS-RTK进行野外测量，并将外业测量的坐标作为实测值，在三维模型上量取检查点坐标，通过和实测数据进行对比。为检测区域内三维模型精度是否满足要求，采用量测法在Acute3DViewer平台下对照全区分布的检测点进行精度检查，检测点均匀分布在地面、低层建筑物、高层建筑物等不同高度上，共检查77个检查点。根据与检测点对应的地物点的差值计算出点位中误差：

平面位置最大残差0.181米，平面位置中误差0.111米。

高程最大残差0.125米，高程中误差0.073m。

通过检测结果可以看出，基于无人机倾斜摄影测量的三维建模精度较高，完全可以满足项目的要求。

工作效率方面，采用无人机每天可航拍3个架次，1个架次航拍6km2，在天气良好的情况下5天即可完成拍摄任务，数据采集约5天，其余工作可通过计算机自动处理和内业人员手动操作，整个数据处理及单体化工作完成约25天，模型质量检查约5天，整个项目完成约40天。对比传统的三维建模主要包括数据采集、模型制作、纹理贴图、模型渲染入库等，整个项目完成约90天。经比较分析可知，采用无人机倾斜摄影测量技术进行三维建模，不仅提高了工作效率，还减少了外业工作量。

结论

随着时代的变化、科学技术水平的不断提升，无论是国外还是国内，均在三维立体城市模型构建中投入了不少的财力与人力。与此同时，三维模型的精准度不能局限于传统的建筑模型的精准度，它仍然有很大的发展空间。无人机倾斜摄影测量技术的勘测还在继续，其水平也有待提升。总而言之，我们要从细节部分入手，最大程度上满足用户的需求，提高它的办事能力与精准度，使其可以更好地推动国家公共事业的发展，可以更好地造福人民。

参考文献：

[1]李杰，马强.无人机低空倾斜摄影测量技术在玛纳斯智慧城市建设中的应用[J].岩土工程技术，2018，32，158（04）：15-18+53.