无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用

秦少林 田振东 李艳贵 杜新红

（1.辉县市春诚测绘有限公司，河南 辉县 453600；2.辉县自然资源和规划局，河南 辉县 453600）

1 引言

城市三维模型是数字城市最重要的基础框架数据，是城市数字化的重要基础，是城市各项数据的基础载体[1,2]。随着城市管理和地理信息服务对空间精密性、动态可视性需求的增强，数字三维城市已成为城市管理的重要手段。传统三维建模方法通过人工拍照获取建筑物的结构和纹理，结合航空正射影像、平面矢量图、建筑物顶部矢量图等数据建立白模，通过照片纹理分析模型的细部结构，最终将处理后的纹理信息赋予相应的白模上。无人机倾斜摄影技术颠覆了传统测绘的作业方式，能全面感知复杂场景，并以高清晰、高精度方式来呈现[3]。通过高效率的摄影采集设备和高精度的数据处理方式，能以真实效果和测绘级精度反映研究对象的外观特征、高度及位置等信息。以郑州市某小区城市三维建模为例，基于无人机航空摄影测量技术，采用Smart3D 专业处理软件，通过影像获取与处理、联合区域网平差、多视影像密集匹配及纹理映射等关键技术，快速构建实验区实景三维模型。

2 倾斜摄影测量系统

2.1 倾斜摄影系统

倾斜摄影系统由飞行平台、工作人员和仪器组成。其中飞行平台为无人机，工作人员为地面指挥人员，仪器包括传感器和姿态定位系统。传感器主要是多头相机（用于多角度拍摄）和GNSS 定位装置（用于获取三个线元素XS，YS，ZS），姿态定位系统主要记录相机在曝光瞬间时的姿态（三个角元素φ、ω、κ）。

2.2 倾斜摄影三维建模关键技术

倾斜摄影测量技术数据处理流程包括影像预处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、高精度DSM自动提取及城市三维建模等[4]，如图1 所示。

图1 倾斜摄影三维建模流程

3 研究区域

3.1 实验区概述

研究区域位于郑州市某居民小区，小区面积约为0.2 平方公里，配套设施齐全，建筑物规划合理，绿地率高，有利于城市居民小区三维一体化模型构建研究。实验区范围如图2 所示。

图2 实验区范围

3.2 数据获取及模型建立

利用低空遥感技术快速获取实验区数据，利用ContetxtCapture Master 建立真三维城市模型，技术流程如图3 所示。①分析和预处理数据资料，确保建模数据完整。②将倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素；通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云，建立城市3DTIN 模型。③根据3DTIN 每个三角形面片的法线方程与二维图像间的夹角挑选最佳纹理信息，并实现纹理的自动关联；④输出并获得城市真三维模型成果[5]。

图3 三维模型构建技术流程

（1）数据获取。研究区数据获取设备采用飞马智能航测系统D200，倾斜模块为D-OP300，相机数量：5；有效像素：2400 万×5；传感器尺寸：23.5×15.6mm；镜头焦距：中间25mm，四周四个相机35mm；相机倾斜角度：45°。根据既定方案进行资料收集、实地踏勘、航线设计、空域申请、航摄设备安装调试、基准站建立、控制点布设等一系列准备工作。设计航线东西向飞行，航向重叠度≥70%，旁向重叠度≥60%，共获取面积约0.3km2地面分辨率大小为5cm 的倾斜影像。实验区倾斜影像如图4 所示。

图4 倾斜五镜头影像数据

（2）数据预处理。无人机影像数据预处理包括POS 数据与航带整理、像片旋转、匀光匀色、畸变改正[6]。首先采用布尔莎七参数模型，将测区影像数据的曝光点原始坐标WGS84 椭球下的地理坐标经纬度和大地高转换为2000 国家大地坐标系和1985 国家高程基准或者自定义投影坐标。其次整理无人机航带和确定航向，通过恢复像片拍照时的方向，保证像片拼接和重叠，同时对影像进行匀光匀色处理。最后通过正解和反解确定原始影像与纠正影像间的几何关系，运用灰度插值法实现图像的改正[7]，纠正后像主点的位置及像幅大小都出现了轻微变化，如图5 所示。

图5 倾斜五镜头影像畸变改正

（3）空三加密。空三加密是无人机影像处理的关键，也是处理流程的难点。打开ContetxtCapture Master软件，建立工程，导入影像、POS 数据、控制点，设置相机焦距。POS 辅助下影像间通过同名像点匹配，自动构建像点自由网，并进行自由网平差和相机参数的自由网优化。最后进行地面控制点的自动预测和手动量测，联合地面控制点自动平差及空三平差结果导出。实验区空三关系模型如图6 所示。

图6 空三加密

（4）模型重建。空三精度满足要求后，开始进行模型重建。利用ContetxtCapture 进行空三多视影像密集匹配，生成高密度三维点云数据，构建不同层次细节下的不规则三角网TIN，同时生成带白膜的三维模型。根据POS 数据计算TIN 模型中每个三角面与影像对应区域间的几何关系，将对应的纹理图像与三维TIN 模型进行配准，最后通过纹理影像的反投影实现纹理贴图，生产城市实景三维模型。实验区局部实景三维模型成果如图7 所示。

图7 实验区局部区域三维点云及实景三维模型成果

（5）三维模型精度。

①模型复杂度。基于三维模型浏览平台，360°旋转观看真三维模型成果，模型与实体地物无缝衔接；建筑物、道路等主要地物要素主体完整，轮廓清晰，屋顶、阳台等细节表现良好。但植被模型细节表现不完整、有些树木出现漂浮情况，一些尺寸较小的地物如电线杆、通讯基站、塔吊等没有表现出来[8]。按照《基础地理信息三维模型产品规范》[9]相关模型复杂度来衡量，该三维模型成果复杂度介于Ⅱ级到Ⅲ级之间。

②模型几何精度。为了评定倾斜影像构建出的城市三维模型成果精度，在测区选取约0.2km2的区域检核，将外业实测的20 个三维坐标与模型上采集的三维坐标对比分析。几何精度如表1 所示。

表1 三维模型精度统计（单位：m）

利用倾斜影像自动生产的三维模型成果，平面最大误差为0.422m，最小误差为0.157m，中误差为0.285m，高程方向最大误差为0.537m，最小误差为0.312m，中误差为0.439m，完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》中Ⅰ级成果平面位置中误差不超过0.3m，高度中误差不超过0.5m 的要求[9]。

4 结语

基于无人机倾斜摄影测量技术进行城市三维建模，包括数据采集、处理分析、三维建模及数据管理等工作。本文以郑州市某小区三维建模为例，基于无人机航空摄影测量技术，采用Smart3D 专业软件，经过区域网联合平差、多视影像密集匹配及纹理映射等关键技术，快速构建该区域实景三维模型。经验证，该方法自动化程度高，生产成本低，有效提高了工作效率，并具有纹理真实、精度高等优点，能够快速实现城市三维景观的可视化，满足城市三维建模需求。