基于摇摆式三镜头倾斜摄影装置的倾斜摄影测量技术在实景三维建模中的应用

广西壮族自治区地理信息测绘院 蒋小海

随着实景三维中国建设的深入推进，基于倾斜摄影技术的实景三维场景也将越来越被广泛的应用。本文针对倾斜摄影技术和实景三维建模，介绍一种利用无人机搭载摇摆式三镜头倾斜摄影装置，及其在开展倾斜摄影影像获取并完成实景三维场景生产的应用案例，并验证了其在实景三维建模中的优势和可行性。

随着实景三维中国建设的深入推进，基于倾斜摄影技术的实景三维模型场景也将越来越被广泛的应用，如何基于倾斜摄影测量技术快速、灵活地获取倾斜摄影影像并完成实景三维场景也逐步被行业内所重视，然而专业的倾斜航摄系统如徕卡RCD30 倾斜相机、SWDC-4数字航空摄影仪，需要大型有人驾驶飞行平台进行搭载，大型飞行平台航飞空域申请较复杂，对飞行平台起飞及降落场地要求有严格要求，且作业成本高，随着技术的快速的发展，无人机技术愈发成熟，使用无人机搭载航空摄影设备拍摄地表地物的正摄影像和各个侧面的倾斜影像，然后基于多角度影像进行三维建模，得到具有可量测性的实景三维模型，更具优势。本文介绍了一种摇摆式三镜头倾斜摄影装置搭载于旋翼无人机平台进行的航空倾斜航摄的技术方案，并在实际生产项目中验证其在实景三维建模中的生产优势和可行性。

1 倾斜三维摄影测量技术原理

1.1 倾斜三维摄影测量技术原理说明

倾斜摄影测量技术是一种由飞行平台搭载航空摄影摄影仪多角度倾斜摄影测量技术的新型航空摄影技术，传统航空摄影只能获取垂直视角地面物体场景，通过在同飞行平台上搭载多个倾斜相机或摇摆式航摄装置，多镜头同步对地面地物的投影正面和地物的竖立面等多视角拍摄，所获得的航空影像航片具有高分辨率、多角度地面特性的特点，且地物侧面有清晰的纹理，实现实景三维建模处理时真实场景构建。

1.2 摇摆式三镜头倾斜摄影装置简述

摇摆式三镜头倾斜摄影装置为我院自主研发的新型倾斜摄影航摄仪，其由3 台索尼A7R 相机组成，可同时获取5 个以上方向的航空影像，其中相机倾斜角度为40°，摆动角度为35°，装置结构如图1 所示。

图1 摇摆式航摄设备结构Fig.1 Structure of swing aerial camera equipment

该摇摆式航摄设备结构均模块化、工作稳定、拍摄角度综合优化、拍摄速度可调控、安装方便、操作简单、抗电磁干扰能力强、兼容市面所有飞行平台，克服了现有两镜头摇摆航摄设备在获取地表地物时，飞行航向左右侧方影像数据获取时有漏洞、正下方影像完全缺失，飞行航向前后地物侧方影像数据采集不全等缺陷，灵活获取地表地物倾斜影像全覆盖无死角，可实现高精度的三维建模任务。

2 总体技术路线

利用无人机搭载摇摆式三镜头倾斜摄影装置获取倾斜摄影影像，经过空三加密处理后，生成测区整体三维模型，在此基础上，通过三维建模软件对场景模型进行修饰完成三维模型生产，其中，摇摆式三镜头航摄仪获取的多角度影像中，正射视角获取的垂直影像提供模型顶部纹理信息，通过侧面倾斜角度镜头获取地面建筑物侧面纹理信息。总体技术路线如图2 所示。

图2 总体技术工艺流程Fig.2 Overall technical process flow

3 应用案例

为验证该技术方案在实景三维建模应用中的可行性，特别是在城市级三维建模上的优势，结合实际项目生产，在柳州市建成区范围内选取了约31km的区域开展测试验证。

3.1 航飞设计

本项目初设计以下航飞计划方案如表1 所示，作业时根据天气、时间安排等实际情况进行航飞。

表1 无人机航飞设计方案Tab.1 UAV flight design scheme

3.2 航飞数据采集

使用无人机平台搭载摇摆式三镜头倾斜摄影装置对测区内进行航空数据采集，获取多角度影像原始数据、差分数据解算整理即得影像所对应的POS 数据、通过获取的优质航空影像原片和高精度POS 数据。

3.3 数据预处理

3.3.1 影像数据预处理

航摄摄影外业飞行航飞获取的优质航空影像原片和高精度POS 数据成果，经过航片数据核查、项目范围、航摄仪参数、POS 数据定位和IMU 姿态数据整理、空中三角测量计算合格的成果导入等数据进行前期处置，剔除有问题的原始成果，来保障各级数据生产质量。

航空倾斜摄影测量，航片数据预处理主要对后期的模型生产效率及模型色彩有影响。为了生产出高质量模型，处理步骤如下：

（1）使用软件对航空摄影所获取的航片原片进行调整，去除原始航片中阴影、水面过曝、不同架次不同天气飞行的航片数据进行调色，以保证模型色彩一致，提升模型美观及精度。

（2）可以采用联网模式加快数据处理，保障项目工期。

3.3.2 POS 数据预处理

POS 数据通过所配置差分所得数据通过地面架设的GPS 作为基准进行解算，基准精度根据当地CORS 或者千寻信号精度，按照GPS 定位技术对每张航空影像进行精密计算绝对位置，通过软件再将影像位置结果飞行控制的惯导（IMU)数据融合处理计算，根据项目所需的数学精度（投影和坐标系统）进行成果转换，通过参数转换解算出每张航空影像的各外方位元素。

3.4 空中三角测量

作业范围内原始影像数据较多，航片较多情况应进行分区域进行空三运行，结果合格后再进行分区合格空三成果整合，对数据两大分区的空三运行范围大小应根据航线及所布设的航控点进行划分，所分区域应有足够相互重叠的航片，对所分区域进行空三运算时先设置参数自动匹配，必要时进行人工干预计算，直至空三平差结果满足项目设计要求，然后进行区块的合并。

子区域网平差达到要求后，将所有子网空三成果进行区域网合并，处理得到测区的整体空三成果。

3.5 倾斜三维模型构建

在获取满足质量要求的航摄影像和控制点成果后，利用倾斜影像，控制点转刺后进行空三加密；使用质量合格的航测控制点成果与倾斜摄影所获取的航片，进行实景三维模型生产与模型纹理贴片。

（1）根据三维模型浏览器的参数要求与作业区域实际情况，确定模型的坐标系统和分块大小，为了方便接边工作，要求分块大小为50m 的整数倍。在成果生产前需对空三成果进行检查，利用满足精度要求的空三成果及倾斜影像生成三维模型成果。

（2）对于存在大面积水面的作业区域，为减少在生成的三维模型中进行大量后期修改，可添加水面约束后更新三维模型。

3.6 三维模型纹理映射

实景三维建模模型纹理映射包括三维模型与纹理图像的匹配和纹理贴片。无人机航空摄影倾斜测量平台获取的方式为多视角航空影像，影像上同一地面地物涉及多张航片，选取质量清晰的航片数据是保障三维模型纹理贴合的保障，此项目采用建模三维模型的三角网与所获影像之间的三角函数关系来进行匹配，角度越小证明改三角网的面与影像越匹配，模型纹理清晰度越高，采用这种方式，所对应的地面地物匹配到已构建的三维模型中的三角网面上，通过软件运算三维模型与每个三角网与所配对的影像的几何关系，最终确定三维模型中三角网所需要配对的航空影像数据区域，从而使生产的三维模型与航片纹理贴合，实现模型纹理贴图。

3.7 模型重建

（1）根据三维模型浏览器的要求及三维重建平台本身的限制，确定模型的分块大小和重叠度，根据建设方提供的测区大小确定生成三维成果的范围；

（2）对于存在水面的区域需要在生成的三维模型中进行后期修改，并重新添加水面约束后更新三维模型；

（3）在成果输出前，需要对空三结果进行检查，确定其精度满足要求。

3.8 模型修饰

三维实景建模重建生产出新的三维实景模型可能存在一些问题。例如不能在航飞时采集到的视场死角、建筑物侧面的反光、河流、水库大型的水面、运动中的物体等，则需要修改已建好的实景模型，做为三维实景重建的模型修整，更改所用软件的自动生成模式。

模型修饰分两个级别：

（1）几何结构。仅对参考三维模型的几何结构进行修改，修饰模型的纹理将被忽略。在再次进行三维重建时，保留修改后的几何结构，并重新进行贴纹理。

（2）纹理和几何结构。对参考三维模型的纹理和几何结构进行修改。在再次进行三维重建时，纹理和几何结构都会保留修饰原样。

3.9 模型重建结果检查

模型重建结果检查指三维模型还未经过后处理，通过软件自动化完成的重建结果需要检查的内容。主要涉及元数据、坐标系、现势性检查及模型完整性等，此过程作为一个基本检查，检查合格后方可进入后处理环节。数据最终的详细检查应通过后文的两级检查完成。

3.10 三维成果输出

使用基于计算机视觉和摄影测量的影像软件，输出的格式为通用格式（OSGB）模型成果，文件夹是为Tile 分级文件内的Data 文件夹构成，每一个Tile 文件夹里面是由不瓦片名称的Data 文件名OSGB 模型组成。在建模软件中通过建立索引文件将多个OSGB 格式瓦片数据拼接起来成为一个整体模型，以方便用多种软件进行模型浏览。

在三维模型浏览工具中对成果三维模型进行多视角检查，对项目范围边缘模型有明显的变形、粘合、模型产生纹理漏洞和悬浮物等进行标记，将对应需要修改的瓦片数据在模型中进行编辑处理，进而得到纹理清晰的优质三维模型。

4 结语

随着无人机倾斜摄影技术的不断进步，倾斜摄影系统设备将向着模块化、智能化、高精度的方向发展，倾斜航摄仪作为倾斜摄影系统设备的重要组成部分，将会是下一步研究的重要内容。加大新型倾斜航摄仪装备的研发，改善倾斜影像获取的工艺流程，将能有效实现高精度、高分辨的实景三维建模任务，为“实景三维中国”建设提供有力技术参考，具有深远而重大的意义。

引用

[1] 徐金财,李朝奎,陈建辉.一种基于3ds Max与Smart 3D的三维模型构建方法[J].测绘通报,2020(11):61-65.

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