基于低空倾斜摄影技术的三维建模平台开发

潘 芳

（江苏东交智控科技集团股份有限公司，江苏南京 210002）

低空倾斜摄影技术通过多台传感器从不同角度进行图像数据的采集，数据来源丰富多样，满足现代对于三维图像信息的高要求。以无人机搭载低空倾斜摄影传感器，将拍摄到的信息传输回三维建模平台，平台经过数据预处理、多视影像平差、几何纠正、数据分块、点云匹配、纹理贴图、模型修改、模型单体化、3D模型输出等操作完成对倾斜摄影拍摄到的目标直接测量。

1 无人及组件及功能要求

1.1 无人机平台选择

具备一定续航能力保证拍摄工作的连续进行和无人机的安全返航，一般要求标准荷载条件下续航时间≥25 min；针对图像采集的特点，无人机平台应具有较好的稳定性和抗干扰能力，抗风等级≥5级（10 m/s），通信距离≥2 km；具备稳定的相机云台；具备有效荷载能力，有效任务荷载≥6 kg；为了进一步降低野外作业的事故风险，无人机平台应具备自动避障系统。

结合管理的需求，本项目选择多旋翼无人机作为平台，搭载摄影设备进行倾斜摄影。

多旋翼无人机如图1所示。

图1 多旋翼无人机

1.2 倾斜摄影相机选择

经过调研比选，五镜头摄像机符合本次课题的要求，如图2所示。

图2 五镜头摄像机

1.3 功能模块选择

（1）自动返航模块。

自动返航模块可以自主判断控制信号是否丢失，针对丢失情况做出失控保护处理。执行全自动飞行任务时，信号丢失无人机会继续完成预定的航线飞行任务；执行手动控制任务时，无人机会在丢失信号的地方自主悬停，10 s无响应会自动飞到航线开始地点，有安全保障。

（2）告警及处置功能。

针对信号弱、电量低、风力变化大等问题模块会自主报警，并做出相应的应急措施。

（3）自动避障系统。

采用视觉传感导航系统，可感知附近障碍物，使飞行器主动躲避，配备视觉超声波组合传感器，结合机器视觉算法保证飞行全程的安全。

（4）高精度视觉定位。

系统支持高精度立体视觉算法，算法精度达厘米级，即使是地形复杂的情况下依然能够准确定位，定位的有效高度可以达到20 m。

（5）检测航线规划。

对图像采集进行航线规划，结合包含地理信息数据地图，针对需要检测的路段对飞行航线进行规划。

2 三维建模过程

（1）影像预处理。

影像预处理包括畸变校正、匀光匀色处理。

（2）多视影像联合平差和密集匹配。

倾斜摄影获取的影像数据包括大量侧面方向的图像数据，通过构建影像图库，采用由粗到细的匹配策略，进行自动连接点提取、行区域网平差，采用POS辅助数据、控制点坐标的方法，建立多视影像间的平差方程，保证平差精度。采用多视影像密集匹配模型快速提取多视影像点坐标并自动匹配，获取地物的三维信息。

（3）高精度DSM自动提取。

经过多视影像平差和密集匹配后，获取成像区域地物的超高密度点云，根据超高密度点云进行网络构筑即可完成高精度高分辨率的DSM自动提取。

（4）三维建模和成果优化。

基于倾斜影像对建筑物进行自动纹理映射，针对每个三角面对应的实际纹理区域，实现纹理影像与三维TIN模型的配准。

利用空三加密成果，通过拉伸方法制作三维模型实体，实现对原始模型缺陷明显的目标区域的修复工作。

3 基于低空倾斜摄影三维建模的管理平台开发

3.1 Rising fly GIS平台简介

完成航空摄影、地理信息技术的拓展，具有厘米级高分辨率、任意标注、任意测量、统计数据载入、地形数据分析等实用功能，载入图文数据即可实现区域或行业的大数据管理。具有图文并茂、简单直观、精准全面的特点，可随时调取各种数据信息，实现为领导提供精准决策依据的目的。

3.2 管理平台功能介绍

支持影像数据载入、支持CAD、地形数据、矢量数据、栅格数据载入；二维、三维同时浏览管理；任意位置任意标注、测量，多种分析功能；准确的经纬度坐标定位；支持各种传感器接入，实现动态数据管理；支持网络化运行、用户名密码登录和U盾授权登陆；实景影像化资产管理平台集成多种地图资源；支持多种通用格式地形、影像、矢量数据的浏览和输出；支持的地理数据格式包括影像、地形、矢量数据和文本数据等；快速浏览三维模型，支持大批量数据的三维场景浏览；多类型标绘功能；多类型空间分析；多类型量测功能；飞行浏览模式；可直接在球上进行自定义设置取点密度和等高线间距提取等高线，也可根据自有的高程数据提取；云端数据；在PC端、安卓端都可以从云端同步到本地，实现数据云存储和云共享；可以转换各种格式的GPS。

3.3 平台部分功能演示

与三维地形精准贴合、轻松获得地形海拔高程，可以提取导出。

海拔高程采集如图3所示。

图3 海拔高程采集

属性标注编辑及单体化功能：支持标注点、线、面、体绘制，模型导入，编辑属性，可插入链接、图片、文字、视频等内容，对倾斜摄影数据实现单体化功能，如图4所示。

图4 属性标注编辑

测量功能：测量地表距离、空间距离、空间面积、投影面积、地表高度、空间高度、坐标点等，如图5所示。

图5 尺寸测量

双屏对比剖面分析：支持双屏对比不同时期影像，通过肉眼或剖面分析查找不同，查处违建，如图6所示。

图6 双屏对比

4 结语

本项目选择多旋翼无人机作为平台，搭载五镜头摄影设备进行倾斜摄影硬件组合设计。对于采集的倾斜摄影图像明确了通过影像预处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、高精度DSM自动提取及三维建模，形成真三维模型的数据分析流程。结合公路管理的需求，开发倾斜摄影建模的管理平台，实现模型导入、属性标注、测量、比对等功能。