基于无人机倾斜摄测量技术的三维建模及其精度分析

宋福杰

（易景环境科技（天津）股份有限公司，天津 300000）

无人机倾斜摄影测量技术作为当今工程建设中先进的测绘建模技术，其在城市建设中的应用，使得项目测量精度与测量效率大大提升，而且影像质量比较高，逐渐成为当前测绘工作的关键方式，受到测绘人员的高度认可，应该推广利用促进该技术的完善，不断推进我国测绘事业发展[1]。

1 概述

倾斜摄影测量技术是现代信息技术飞速发展的技术结晶，由于其在精度以及效率方面优势突出，被当今社会生产建设的许多领域广泛利用。相较于传统测量技术的不同，倾斜摄影测量主要就是在无人机设备上安装数据采集摄像头及探测传感器，对外形复杂的目标进行外观扫描及数据信息采集分析。但随着无人机技术的发展与信息技术的进步，使得无人机遥感技术与前倾斜摄影测量技术可以更完美的结合并应付更复杂的情况，使应用范围更大，对复杂情况的适应能力更强，在测量精准度方面提升效果非常明显。

2 无人机倾斜摄影测量技术介绍

无人机倾斜摄影测量主要是通过无人机遥感技术与倾斜摄影测量两种技术来实现。

2.1 无人机遥感技术

即通过无线电操控安装有拍摄设备的无人机，按照预定任务航线航行拍摄测量目标，快速大量的获取目标物的表面数据信息，同时将数据信息传输到地面设备进行分析处理、建立模型，在现代测量领域应用优势明显。

2.2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术利用装有多镜头高清相机的飞行设备对测量区域的各个摄点从 5 个方向(垂直、前视、后视、左视、右视)进行影像研究，并生成三维实景模型，能够直观的对拍摄目标的平面位置、外形状态、立面、侧面、横断面、地形起伏等进行详细描述及研究，大大提高了传统摄影测量的丰富性。倾斜摄影测量的影像数据可以比较直观的呈现测量目标的外表实际情况，还能够与GPS定位技术灵活结合使用，将所测量项目的地理及属性信息在影像中进行标注体现，给用户更丰富的使用体验，使该技术的应用范围更加广泛。

2.3 无人机倾斜摄影测量的特点

（1）反映地物实际情况并且能对地物进行量测。通过无人机倾斜摄影测量技术进行测量作业可以得到目标外观的三维数据信息，这些三维数据能够更真实的反映目标，与传统制作的模型相比较真实感更高。

（2）效率高、成本低。无人机倾斜摄影测量技术能够在作业中快速自动化的进行三维建模，大大缩减工作周期，提高建模效率，有效降低成本[2-4]。

3 无人机倾斜摄影测量技术

无人机主要是利用无线电遥控装置，通过计算机进行的操纵航空器，在无人机上，装置自动驾驶仪，可以独立完成导航工作。高分辨率多视角航空摄影仪，是进行遥感的载体，将多个传感器综合构成无人机倾斜摄影测量系统，能够敏捷的获得高分辨率的遥感影像,同时利用倾斜摄影测量技术，完成模型的三维可视化。无人机倾斜摄影测与 POS 定位系统结合，更加自动与智能。在国土、环境等地理空间的数据采集上具有十分重要的意义。另外它还具有 GPS 差分等技术，此项技术可以获取到具体影像对象的地理位置信息，在一定程度上扩大了影像数据源信息，而且大量的航摄影像进行叠加，非常有利于高精度的影像匹配，实现了在人工智能基础之上的三维实体。以不同的层面进行对技术与纹理映射技术的展示，是倾斜摄影所具备的主要技术，在很大程度上完善了建模的工作，并且减少了一部分的建模成本。

4 无人机倾斜摄影测量三维建模关键技术

通过摄影测量方式得到的航摄像片，在后期整理的过程中，在野外布设相对应的像控点，以此为数学基础，测量出这些点的大地坐标，把刺点位置进行一一标记，保障空三加密工作的顺利进行。将野外测得的相控点与航测系统获取的影像数据结合，通过影像匹配、区域网平差等技术处理获取影像高精度姿态数据与加密点的空间坐标信息。像片控制点要严格注意其布设时的方位，以及进行布设时的精度值，这些都属于关键部分。利用倾斜影像数据的特点，通过多视密集匹配算法采用倾斜摄影测量产生的最后的数据，得到倾斜摄影测量进行三维模型的主要部分。影像数据处理流程主要包括：影像获取、外业控制点布设、外业控制点测量、像点量测、区域网平差、多视影像密集匹配、最终生成产品成果等几个方面。

4.1 像片控制点相关布设方案

像控点布设采取非全野外布点方式，仅仅布设少许的控制点。

（1）航带网法布点。航带网法进行布设像控点的过程中，主要的方案是六点法。六点法作为最标准的布点方法，是航带网布点方案中经常被采取的方式。在区域网的规定局限里图像不大于十六张时，采取六点法进行布设平高点的工作。其次还有八点法、五点法。其中，八点法是在每个航带里面布设出八个平高控制点。它要求区域网范围里面的图像要大于十六并且不超过四十八幅。而当一条航带的长度为最长航带网的百分之六十左右时，采取五点法。

（2）区域网法布点。在区域网进行平差的过程中，当出现某像对基线跨入附近控制点连线大于半数时，就将其视为一个像对。如图 1。

图1 区域网法布点图（○是平高点，×是高程点）

4.2 外业控制点的施测

在将要开始外业控制点的量测工作时，要提前做好一系列的整理工作，通过空三加密平差的结果，进一步获取测区的全景影像图，这对后期的外业像片控制点的布设与测量工作有着重要的意义。

4.3 多视影像联合平差

通过多层次、多条件约束的方法获得多视影像的同名点，保证同名点的误匹配率在一定的范围，利用区域网平差技术完成影像姿态数据与加密点数据的计算。多视影像联合平差作为倾斜影像整理阶段的重要环节，因为多视影像分别为垂直影像倾斜影像，多视影像联合平差兼备了对影像中出现的变形和遮挡的情况的处理，但大多数传统的空三加密方式并没有这种特征。一般的多视影像联合平差方式是先通过 SIFT 特征提取算法，完成影像的特征提取工作。如图2。

图2 SIFT 算法步骤示意图

4.4 多视影像密集匹配

在完成上述工作后，基本上已经完成密集匹配的相关数据的采集，接下来就是影像的匹配工作。影像匹配工作作为摄影测量的一个关键，因为无法通过单一元素就可以成功的进行匹配，因此，现在已经有很多的国内外学者在进一步探究计算机视觉上的多基元以及多视影像密集的匹配方式。

4.5 产品成果生成

利用多视影像密集匹配，可以得到更为完善的DSM,需要得到的信息都可以展现出来，这种技术目前是新型空间数据基础设施的主要技术。将得到的DSM 数据采用波形处理，整合出有着真实观感的数字表面模型的数据，通过归一处理，以及一些增强处理，进而产生三位数字模型的雏形，再采取模型编辑软件进行处理，就基本产生了逼真的三维模型，最后进行验收检验，同时输出相应的数据与文件，生成产品成果。

5 基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模方法研究

5.1 关键技术

通常情况下，利用无人机倾斜摄影测量技术进行三维城市建模时，需要注意一点，即在实际的测量中，由于一些不可确定因素的影响，例如，无人机设备的性能、大气环境以及处理软件的功能等，会导致实际的模型建立出现一些错误，最终影响后续工作，主要原因如下：

（1）无人机姿态变化以及飞行线路的影响，导致影像在重叠度和几何畸变方面受到影响，出现模型畸形的严重问题。

（2）大气环境有时存在不可预测性，例如，大气噪声引起三维模型出现飞面和凸包等问题。

（3）光照的影响，由于不同时段的光照强度不同，导致模型的纹理出现不均匀的问题。以上这些问题都是十分复杂和多变的，也是当下无人机倾斜摄影测量技术应用中所存在的局限性问题，还需要加大研究力度，有效提高三维建模的水平和质量。

5.2 优化方法

通过上述分析发现，基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维建模存在诸多的畸变和错误问题，这些问题的存在导致实际的测量精度受到影响，不利于后续规划工作的有序进行。为了有效解决这些问题，需要对三维建模方法进行优化处理，关键点包括：

（1）几何修复。对模型中的破洞问题进行修补，对凸包问题进行抹平和还原，对飞面问题进行删除等，以此提高建模质量和精度。

（2）纹理修补。对光照影响下三维模型中出现的不均匀纹理问题，需要进行替换和修补，以确保纹理足够清晰。

5.3 三维建模实践分析

结合传统建模的优点和成熟技术，对无人机倾斜摄影三维成果模型中需要改进的地物目标或区域进行二次处理。开发一套模型辅助编辑系统，导入空三加密成果和初始化重建三维模型，根据空三技术和空三加密成果的特点，利用空三加密成果，初始模型缺陷明显的目标和区域进行几何修复和纹理修补工作。编辑系统的核心功能有三维模型同名点搜索、空三影像纹理自动提取、模型交互制作等，所有功能组织以空三后的影像数据为核心，充分利用纠正的倾斜影像和加密点，进行模型纹理提取和定向建模。在空三后影像上绘制地物目标的结构线，通过拉伸等方法实时制作三维模型实体并自动贴图，形成场景三维模型。

6 结语

倾斜摄影测量作为一项新技术，将多台类同类别的传感器同时在单个载体上装置，能够进行完善、弥补传统航空摄影技术仅在单个角度得到地面影像的不足之处，可以获得垂直以及多个倾斜角度的影像数据工作，很大程度上避免了正射影像无法真实提供地表情况的不足。同时利用机载 POS 数据和数字表面模型等，完成倾斜摄影基础之上的三维建模。