无人机倾斜摄影测量技术在公路勘察设计中的应用研究

◎曾聪 唐钰涵

三维公路勘察设计本质是三维实景地模型与工程设计模型的结合。而实景地理模型，作为公路的基础数据起着至关重要的作用，直接影响整个公路勘察设计模型的建立。无人机倾斜摄影测量技术作为一种高精度、高效率、数据量小以及真实感强的建模手段，近几年得到了快速发展，为实景地理模型快速建立打下坚实基础。倾斜摄影技术是指在同一飞行平台下搭载倾斜相机，在同一曝光点多角度获取相同地物倾斜影像，获取丰富的地物信息，可从多角度分析地物，弥补了传统正射影像只能从垂直方向分析地物的缺陷，能够获取建筑物的侧面纹理信息。

一、倾斜摄影测量建模关键技术

倾斜摄影测量建模关键技术主要包含：影像匹配、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、密集点云构网以及纹理映射。

1.影像匹配。倾斜摄影与传统正摄相比，具有多角度获取影像、影像冗余信息丰富的优势，可在多视影像中利用冗余信息修正错误匹配，须采用多匹配基元保证影像匹配精度。由于基于特征的影像匹配具有适应力强、匹配精度较高的特点，所以选择特征匹配算法。

2.多视影像联合平差。多视影像联合平差基于多视图几何原理，结合飞行平台上获取的POS外方位元素，首先通过影像匹配方法获取多视影像精确外方位元素，再以特征匹配算法获取影像特征匹配结果，然后建立包括像控点、POS数据在内的误差方程，联合解算以保证平差精度。由于光束法平差模型理论较严密，加密精度较高，因此使用光束法作为空中三角测量平差模型。空中三角测量过程完成后，即生成带有地物纹理信息的自动连接点。

3.多视影像密集匹配。多视影像密集匹配是在空三加密形成的自动连接点基础上根据相关密集匹配算法构建密集点云。多视影像密集匹配采用多基元匹配算法，建立多个摄影基线，分别对连接点完成匹配获取“精确解”。

4.密集点云构网。

倾斜摄影测量构建的三维模型本质为网格面模型，因此密集点云用于构建网格面。三维点云数据具有高程信息，在点云构网过程中采用不规则三角网。密集点云通过八叉树算法构成三角面片，任意地形地物信息均能由三角面片表示，所有的三角面片构成一个整体，形成三角网格模型。

5.纹理映射。

纹理映射的本质是建立二维纹理空间点到三维空间物体表面点的对应关系，将二维空间点对应的颜色值或灰度值映射到三维物体表面，得到符合真实色彩视觉的实景三维模型由于多视影像会在多张影像上显示同一地物信息，因此纹理映射过程需选取目标清晰的多视影像。

二、三维实景模型单体化

由于倾斜模型的结构为连续的三角面构成的表面模型，不能够区分出建筑、道路、植被等地物单体信息，因此在进一步开展数据分类，属性挂接等应用时，需要对倾斜模型进行单体化操作，实现在“表皮”模型中识别出具体的地物对象。目前应用较为广泛的单体化方法有三种，具体类容如下：

1.ID单体化方法。

根据对象矢量线范围对倾斜模型三角面进行区分，属于同一个对象的三角面赋予相同的ID。

2.动态单体化方法（逻辑单体化）。

在三维渲染的时候，通过动态的方式把对应的矢量面叠加到倾斜模型上，通过间接的方式实现矢量范围内的模型高亮显示，从而实现单体化目的。

3.切割单体化方法（物理单体化）。

直接利用对象矢量线范围将对象从倾斜模型中分割出来，形成独立的对象。

由于公路勘察设计主要关注线位两侧一定范围内的独立地物，因此本文采用动态单体化与切割单体化相结合的方法实现模型单体化。

（1）针对一般地物，采用动态单体化方法，通过对倾斜三维模型中的对象进行二维矢量底面叠加，在渲染层面实现地物的单体化，并通过矢量面作为载体进行属性挂接，从而实现对象的单独管理、属性查询等功能。

（2）针对重要的需要切割分离的地物，采用切割单体化方法，既通过人工重建的方式将重要的对象进行物理分离，重建的实体同时能够进行编辑和修改。

三、三维实景模型与工程设计模型融合

三维实景模型与工程设计模型是利用不同的软件平台建立的三维模型在格式上并不一致，首先对两种模型进行格式转换。格式转换的结果使得用不同的建模软件建立的三维模型使用统一的格式进行存储，并将所有的三维模型统一到相同的坐标系统下，为模型的配准与集成做准备。

对三维实景模型三角网进行重构，实现三维实景模型与工程设计模型的无缝叠加，从而实现模型的无缝集成建模，并将模型统一存入数据库中。将一体化模型在定制的GIS平台中进行展示，并提供拓扑关系空间分析能力和管理能力。同时能够进行各种三维模型数据处理、分析、二三维制图及发布展示等操作，更加智能高效地进行一体化与精细化管理

四、结语

目前公路三维模型，主要依赖人工建模，倾斜摄影测量技术具有获取影像全面、获取速度快、后处理自动化程度高等特点，能够很大程度提高建模的效率。倾斜模型与工程设计模型相结合，集成了所有勘察与设计数据，减少了数据访问的成本，提高访问效率。促进各部门更好的沟通，减少协调时间，改进设计能力，更快的提出最终的设计方案。