倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用

成枢，程旭明，桑泽磊，邓尚奇

（山东科技大学 测绘与空间信息学院，山东 青岛 266650）

0 引言

随着现代无人机与数字相机技术的融合与发展，无人机摄影测量被广泛地应用到了国家重点工程建设、自然灾害的应急处理、国土监察和智慧城市建设等各个方面。于丽丽针对传统的三维建模方式所存在的施工周期较长、造价成本较高、精确性差等缺陷，运用无人机倾斜式摄影测量对整个城市进行三维建模，为“智慧城市”建设提供了重要的技术支撑[1]。李兴久通过对三维建模的精度进行分析和研究，结果表明，所生产的三维实景模型和空三几何精度均满足相关规范要求[2]。严孝云利用GPS-RTK进行现场测量，对模型进行几何精度评定，验证了倾斜摄影测量技术用于高精度城市三维实景建模的可行性[3]。

1 项目简介

项目观测区位于潍坊高新区某栋别墅群，地理位置优越，距离市中心大约20公里。采用的飞行平台是云影C200型电动垂直起降固定翼无人机系统，其既具有四个螺旋翼起降无人机的电动垂直飞行起降传动功能，又具备固定翼无人机具有的航行时间长、航行速度快、航行距离远的优点，同时无需跑道或弹射架，该飞行平台可以在90km/h的速度下连续航行1.5小时。本次航摄作业区飞行高度设置为128米，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，航线间距36米，拍照间距16米，对测区进行了正射影像采集，并根据航摄作业区情况，在航摄作业区共布设像控点16个，并对每一个像控点进行控制点测量，便于后期刺点时需要。

2 倾斜摄影空三技术

倾斜摄影空三处理流程主要包括以下四个方面，分别是建立影像拓扑关系、影像特征点提取、影像匹配和光束法区域网平差，最后输出空三结果[4]。

2.1 建立影像拓扑关系

倾斜式摄影测量技术可以拍到五组影像，除了一般的垂直影像外还可以获取前视、后看、左视及右眼四组影像，除了垂直式的影像外，其它四组都是倾斜式的影像，这样能很好地避免立面遮挡的问题。同时，摄影测量系统利用动态全球定位系统定位技术精确测定摄站空间位置，利用惯性测量装置测定摄影瞬间传感器姿态，通过精确时钟将两者结合起来以确定航片的方位，这些可以提供外部方位元素，建立出两组影像之间的相对位置关系[5]。

2.2 影像特征点提取

由于SIFT算法在倾斜影像特征提取方面具有很好的效果，所以影像特征点提取一般采用SIFT算法。但是在提取之前，算法中还需加入相机畸变参数、影像色差等影响因素，从而能更加有效的提取特征点。

2.3 影像匹配

影像匹配的目的是识别多视角的倾斜影像中同名点的过程。一边获得地物的三维特征信息并形成密集匹配点云数据[6]。倾斜影像匹配通常利用基于特征的影像匹配算法，按照影像中需要进行匹配的像点的相对数目，影像匹配可分为稀疏匹配和稠密匹配两类。

2.4 光束法区域网平差

利用POS数据作为辅助并进行系统平差，以外业航测像控点测量坐标、相片像点坐标、GNSS摄站坐标和惯性测量单元（IMU）姿态角为观测值，以物点的地面坐标、图像外部方位等元素以及其他各种系统的误差修正参数作为待确认的参数，按照像控点坐标、POS系统等所提供的GNSS摄站坐标和惯性测量单元（IMU）姿态角的测量精度，分别给予观测值不同的权，利用最小二乘平差法来求解地物点的三维坐标和外方位元素的最或然值[7-9]。

3 三维建模与精度分析

3.1 三维建模

本次项目中采用contextcapture软件对无人机作业区进行三维建模，首先导入无人机作业区的摄影测量所获得的照片，并在作业区内进行了空三检查，刺点，区域网内部平差等多个步骤后，对航摄作业区内部进行二次空三测量运算，最终取得该无人机作业区的空三测量成果，如图1所示。在建模开始之前，必须进行建模参数设置，并在建模时设置坐标系，以及进行地理坐标（大坐标）的像控点刺点工作。在选择好相对应坐标系，并选择“规则区域分块”，设置好分块大小，每个块应不大于电脑单个内存条大小，最后设置所需生产模型的范围。最后以空三成果作为主要数据源生成实景三维模型，选择模型格式为“OSGB”，质量选择100%，其他默认即可；选择模型生成坐标系，和之前坐标系对应一致即可。为能够实现快速处理该作业区的数据，将航摄作业区分割成多个模型单元进行处理，并进行纹理匹配和影像正射，最终生成该航摄作业区的实景三维模型（见图2）。

图1 空三加密成果

图2 航摄作业区三维模型

3.2 模型精度分析

在航摄作业区选取8个特征点作为检查点，同时在三维模型上量取相对应点的坐标。通过对比实地测量值和软件上的真实量测值，获得了二维平面和高程三个方向上的中误差，计算三维模型三个方向中误差的计算公式为：

平面中误差计算公式为：

式中，为真误差，n为检查点的个数。

检查结果见表1。

由表1可知：x方向的最大误差由计算的结果可知为2.2cm，中误差由计算可知为1.2cm；y方向最大误差由计算的结果可知为1.5cm，中误差由计算可知为0.9cm；高程最大误差由计算的结果可知为2.0cm，中误差由计算可知为1.1cm；平面最大误差由计算的结果可知为2.7cm，最小误差为0.4cm，中误差由计算可知为1.3cm。结果表明，本次三维重建模型精度较高，且符合精度要求。

表1 三维模型检查点精度统计（单位：cm）

4 结语

本文通过利用倾斜式摄影测量系统对潍坊市某一处别墅群进行了实测并制作出了一个实景三维建模模型，系统地阐述了该项无人机倾斜摄影系统在城市三维建模中应用的具体流程，并将建模结果进行分析比较后发现，无人机倾斜摄影测量能够有效构建一个实景三维仿真模型并且成图精度能够满足需要。该方法与传统的测量方法相比，能够有效提升成图效率，大大降低劳动成本，提高工作质量。