无人机倾斜摄影测量影像处理与三维建模的研究

倪明

摘 要：无人机倾斜摄影测量技术在多方面已突破了传统的倾斜摄影测量技术，并不断在此基础上创新与发展，通过对被测对象的多方面多角度进行探测并生成三维实景模型进行分析，让测量结果具备全面性与系统性，对我国各个领域与行业都产生了深远而深刻的影响且有远大的发展前景。同时根据采集处理得到的地物信息，经过相关计算机软件处理，可以快速获得实物的三维模型，所以将其应用到工程改造和城市规划建设中具有十分重要的现实意义。基于此，本文就无人机倾斜摄影测量影像处理与三维建模中的相关问题展开了分析探讨。

关键词：无人机;倾斜摄影;三维建模;方法

引言

三维模型的构建是建设“数字城市”的基础，是城市复杂信息的空间载体，也是三维空间数据的重要技术手段，其三维数据的获取方式以及模型构建方法直接决定了数字城市建设的进度。倾斜摄影测量技术是摄影测量领域发展的新型技术产物，在飞行器上搭载多台传感器对建筑物进行全方位信息采集，能够完整地反映建筑物的空间信息和纹理信息，快速生成实景三维模型，为摄影测量在城市三维模型的构建提供了新思路。无人机倾斜摄影测量是使用无人机作为影像传感器的搭载平台，具有便捷、灵活、快速的优点，是较为理想的搭载平台，而无人机结合自身二维、三维一体化优势，通过叠加二维矢量面的方式实现倾斜摄影模型的单体化技术，而将二维矢量面数据与三维场景叠加，可以实现三维模型构建。

一、无人机倾斜摄影测量技术概述

近年来，随着无人机技术与摄影测量技术的不断发展，诞生了无人机倾斜摄影测量技术，二者的融合不仅仅扩大了遥感影像数据的应用范围，同时还解决了传统测量中只能从正射角度采集数据的弊端，即实现了从一个垂直、四个倾斜五个维度的影像获取，使得最终实物的影像信息具有更高的分辨率。除此之外，无人机倾斜摄影测量技术所产生的三维模型可以更好地帮助工作人员进行后续规划和建设工作，同时结合其他工程测量技术，例如GNSS技术，可以全面展现地物的三维信息，实现快速三维建模工作。无人机倾斜摄影测量不仅能够很好地适应天气的变化在一些极端气候的时候进行测量，还能够在一些较为复杂的地形进行探测。其具有高度的灵活性与机动性，但它在空中停留的时间较短，视野受限，所以只适用于小规模的航摄活动。有人机测量是以载人飞行器为平台对所研究的区域进行测量和摄影的一种技术，成本昂贵，受限于极端气候与复杂地形，但其续航时间较长且摄影视野广阔，适用于大范围的航拍活动。由此可以看出两种测量方式优劣互补，两者结合使用才能更好地发挥航拍的作用。无人机倾斜摄影测量技术借助先进的定位技术与科技支持，真实反映并分析被测对象的状况，从而构建出三维实景模型以研究被测对象的各种特征与性质，很大程度上可以弥补传统倾斜摄影测量的不足。而且在实践测量中选择无人机倾斜摄影测量技术能够节省人力财力资源。

相对比传统的测量技术，无人机倾斜摄影测量技术具有以下几方面特点：第一，由于可以实现五个维度的信息采集，所以获取的实物影像和数据信息更加精准，效率也更高;第二，无人机倾斜摄影测量技术的应用可以实现少量的人工干预，大大提升了自动化水平，避免了人工操作处理中存在的误差问题，有效提升了测绘精准度;第三，无人机倾斜摄影测量技术的投资成本低于其他测量技术，这主要体现在人工费用降低方面，同时缩短了测量周期，使得成本得以降低。

二、基于无人机倾斜摄影的快速三维建模方法

（一）起始数据的处理

起始数据处理是三维建模得以正常有序进行的前提，其主要包括多视影像、POS数据等，具体需要对这些数据成果进行处理和保存，处理工作要确保其航向重叠度在80%以上，旁向重叠度在50%以上。在进行存储管理时，需根据不同相机的视角进行分类储存，以便于后续的数据检索。另外，在数据处理和保存中会由于数据大量累积而出现误差和失真问题，此时需要加入POS数据和外控点成果对其进行控制。

（二） 空中三角测量

传统的影像數据处理中应用同名像点自动量测算法，但是对于无人机倾斜摄影测量而言，由于其捕获的影像数据不单单是正视角度，还包含倾斜角度的影像，所以传统的算法显然无法满足实际需要，此时需要以瞬间POS系统观测值作为多角度影像数据的初始方位元素，以此为基础计算各个像元的坐标信息，同时根据影像之间的众多连接点位，结合外业控制点位，经过区域网平常处理，生成控三报告，最终为指导图像空间结构布局和三维建模奠定基础。

（三） 密集点云的生成

所谓密集点云，实际是通过多视影像匹配处理所得到，再经过相应算法构建表面模型DSM，以便于后续的影像生成。在获取DSM数据后，还需要进行滤波处理，即通过将不同匹配的单元进行融合处理，最终得到统一的DSM。在实际的操作和处理中，存在部分影像数据遮挡或缺失的情况，这会对后续三维建模造成严重影响，具体需要人工编辑修正处理和控制，以降低问题出现的概率。根据已有的密集点云，构建不规则三角网，点云重叠信息的多少决定了所构建三角网的复杂程度，重叠度越高，三角网越复杂密集;而地物、地貌的复杂程度越高，三角网的复杂程度也越高。

（四）构建TIN模型

在构建TIN模型前，需要对高密度点云数据进行分割处理，以便于提升模型建立的精准度，后续开展模型建立如下所示：第一，利用同一地物不同角度的影像信息，采用参考影像不固定的匹配策略逐像素匹配;第二，基于多视匹配的冗余信息，避免遮挡对匹配产生的影响，再引入并行算法提高计算效率以快速准确地获取多视影像上同名点坐标，进而获取地物的高密度三维点云数据;第三，基于点云构建不同层次细节度下的TIN模型，通过对三角网优化，将内部三角的尺寸调整至与原始影像分辨相匹配的比例，同时通过对连续曲面变化的分析对相对平坦地区的三角网络进行简化，降低数据冗余，获得TIN模型矢量架构。

（五） 自动纹理关联

纹理关联是三维重建的最后一个环节，直接决定着三维重建模型的视觉效果，而倾斜摄影测量获取的影像，在色调、亮度上存在较大差异，城市地物较多，在影像上反映的纹理特征更为复杂，而模型构网后模型数据量大且结构复杂，存在遮挡、碎部细小三角形较多，给纹理重建带来较大难度，所以在纹理映像时应当遵循“最小成像角”原则选择最佳纹理影像，利用模型自遮挡监测、模型简化消除“边界污迹”、无效三角面元剖分解决局部区域纹理现象。自动纹理映射主要基于瓦片技术，即将整个建模区域分割成若干个一定大小的瓦片，基于集群处理系统的并行处理机制将每个瓦片打包建立成为一个任务自动分配给各计算节点进行模型与纹理影像的配准和纹理贴附，同时为带纹理的模型建立多细节、多层次的LOD，便于优化相应的文件组织结构，提高模型分层次浏览的效率，生成最终的三维场景。

三、结语

综上所述，无人机倾斜摄影测量技术可以为城市规划和建设提供有效指导，具体通过快速实现三维建模，提供建设和规划所需的影像数据信息，帮助设计工作人员开展规范设计工作。随着科学技术水平的不断提升，未来无人机倾斜摄影测量技术在三维建模方面将有更好的发展前景。

参考文献：

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