倾斜摄影测量在三维建模中的应用探讨

2022-07-26王胜军赵明岭隋建春高明友

科技与创新 2022年14期

王胜军，张强，赵明岭，隋建春，高明友

（1.济南市土地征收和综合整治服务中心，山东济南 250099；2.济南市城乡建设发展服务中心消防验收服务部，山东济南 250099；3.济南市济阳区自然资源局，山东济南 251400；4.杭州今奥信息科技股份有限公司济南分公司，山东济南 250101；5.济南市土地储备中心，山东济南 250099）

近年来，随着智能制造与人工智能技术的不断进步，国内以大疆无人机为代表的无人机产业得到了快速发展，并在国土资源管理、房产税收、人口统计、数字城市、城市管理、应急指挥、灾害评估和环保监测等领域被广泛应用。无人机控制技术、数码航摄技术及影像处理技术的不断成熟，有效克服了传统摄影测量的技术困难，成功解决了传统测绘劳动强度大、成本高的问题，无人机航测系统成为继全站仪、RTK（实时动态定位）后新一代的测绘技术装备。基于无人机航测及倾斜摄影技术生产的4D 产品[1]和实景三维模型[2]已被广泛应用于国民经济建设的各个领域。本文结合无人机的特点，探讨无人机倾斜摄影测量在三维建模中的应用。

1 无人机倾斜摄影测量原理

无人机倾斜摄影测量系统主要包括飞行平台、飞行控制系统、传感器、高分辨相机、测控系统等，以影像数据为基础，通过对像点的选取和采集，形成定位数据和定位信息，实现影像的自动匹配[3]。在无人机倾斜摄影测量过程中，首先要根据实际工作的需要选择合适的无人机种类及多镜头数码相机，合理进行无人机摄影路线规划设计，航测前做好无人机调试和现场勘查；其次在航测过程中，选择合理的摄影相关参数[4]，从前、后、左、右和正射5 个方向采集影像数据[5]，获取建筑纹理，导入三维建模软件，创建倾斜摄影三维模型。实景三维模型模型建设如图1 所示。

2 无人机倾斜摄影硬件选择

决定倾斜摄影三维模型质量的因素主要有2 个：影像地面分辨率和影像清晰度、对同一区域的照片覆盖度。从实际建模效果来看，要想获得完整清晰、可供高精度量测的三维模型，建筑区倾斜影像的分辨率要达到2～3 cm，一般地区要达到5～6 cm，相片的平均覆盖度要达到40%重叠以上[6]。

图1 实景三维模型模型建设

2.1 飞行设备选择

目前，市场上无人机的种类繁多，按照动力系统可以区分为内燃机动力和电池动力，从飞行实现方式上可以区分为固定翼和旋翼（单旋翼、多旋翼）。由于飞行平台自身的振动问题，在成像质量上电池动力优于内燃机动力；在作业效率和续航时间上，固定翼优于旋翼；在飞行稳定性上，旋翼优于固定翼。由于无人机用途不同，其性能标准也不一样。测绘型无人机对飞行标准要求更高，可以在载重、巡航速度、实用升限、续航时间、安全性和抗风等级等方面作出限定。本文结合国内无人机特点，在倾斜摄影测量中选择以下方案[7]。无人机选择如表1 所示。

表1 无人机选择

2.2 倾斜摄影测量相机选择要求

在CH/Z 3005—2010 《低空数字航空摄影规范》中，对测绘航空摄影也就是垂直摄影的相片倾角作出了规定，要求倾角不大于5°，最大不超过12°，旋转角要控制在15°范围内，最大不超过30°。现有的航测软件处理能力已经有了很大提升，可以在这个标准的基础上，把倾角15°以上的都划归到倾斜摄影的范畴。倾斜摄影发展到今天，倾斜相机不再限定相机镜头的数量。倾斜相机的关键技术指标是获取不同角度影像的能力和单架次作业的广度和深度。这包括五镜头、三镜头、双镜头等多镜头相机及可以调整相机拍摄角度的单相机系统。在无人机航测标准中，要求航测相机像素不低于3 500 万，在倾斜摄影中可以不对单一相机的像素进行限定，而对一次曝光获取的影像像素进行控制。倾斜相机的性能要求可以从获取影像能力、作业时间、曝光功能、续航时间、POS 记录功能等方面作出限定，表现在以下几个方面：①倾斜摄影一次曝光采集的像素越高越好，单个镜头不低2 000 万像素，一次曝光不低于1 亿像素；②作业时间至少能达到90 min，最好具备全天候的作业能力；③选择定焦镜头，具有定点曝光功能，且对焦无限远，确保影像重叠度满足要求[7]。

3 飞行前准备

3.1 飞行前检查

为更好地实施航空摄影，无人机在进行航测飞行前，必须将前期所有准备工作做好[8]，在飞行前应全面了解测区基本地形地貌，现场踏勘、核实测区是否处于禁飞或限飞区，是否有超过航高的建（构）筑物或者低于航高10 m 范围内的高大金属构筑物，例如高压线塔、信号塔、作业塔吊等，防止出现飞行盲区。像控点是保证航测精度的重要标识物，要详细检查像控点、检核点是否被破坏、遮挡，检查像控点布设是否合理。每次航飞前要确保无人机和遥控器电池电量满足飞行要求，检查无人机组件是否牢固，检查相机镜头是否同步，检查遥控器与无人机连接是否正常。只有做好航测前的基本准备工作，才能确保飞行质量和效率。

3.2 航线规划设计

无人机倾斜摄影时，需要目标区域边缘地物能出现在像片的任何位置，与测区中心地区的特征点观测量一样，要充分考虑到测区的高差等情况，具体可以按照公式（1）来计算航线外扩的距离：

式（1）中：L 为外扩距离；H1为相对航高；θ为相机倾斜角；H2为摄影基准面高度；H3为测区边缘最低点高度；L1为半个像幅对应的水平距离。

3.3 合理区域规划

由于测区地貌差别巨大，需要根据测区不同合理制定航测规划方案。平地、丘陵地和山地分区内的高差不应大于1/4 相对航高；高山地分区内的高差不应大于1/3 相对航高，山区宜按照地势划分任务区，划分时同一个任务区内的地势高差不宜超过30 m。在地形高差符合规定地条件下，分区的跨度应尽量划大，且完整覆盖摄区。同时合理确定禁飞区、限飞区和大片无特征点（如湖面、海面等）的区域，并将以上区域扣除。对城镇密集区按照主要的街道进行任务区域划分，飞行区域要连片成矩形，相邻任务区之间符合测区覆盖设计要求，计算重叠率。

4 设置合理的飞行参数

4.1 飞行及存储要求

飞行任务根据网格状划分的任务区域去飞行，一个任务区尽量不要超过20 000 张照片，各任务区的飞行高度、速度、重叠率等参数要一致。

4.2 航摄高度设置

首先根据所需倾斜摄影测量的区域精度要求确定地面分辨率，并结合测区地形进而确定行高，飞机会根据实地地形自动调整飞行高度，如1∶500 比例尺可以设定地面分辨率为3～5 cm[8]，在地籍倾斜摄影中可以设置为1.5 cm[9]。无人机倾斜摄影的飞行高度是航线设计的基础，航摄高度需要根据任务要求选择合适的地面分辨率，然后结合倾斜相机的性能，具体可以按公式（2）计算[10]：

式（2）中：H 为航摄高度，m；f 为镜头焦距，mm；GSD 为地面分辨率，m；α为像元尺寸，mm。

4.3 航摄重叠度设置

无人机倾斜摄影时，不论航向重叠度还是旁向重叠度，按照算法理论建议值是66.7%。可以区分为建筑稀少区域和建筑密集区域2 种情况。建筑稀少区域考虑到无人机航摄时的俯仰、侧倾影响，无人机倾斜摄影测量作业时在无高层建筑、地形地物高差比较小的测区，航向、旁向重叠度建议最低不小于70%[10]。要获得某区域完整的影像信息，无人机必须从该区域上空飞过。以两栋建筑之间的区域为例，如果这两栋建筑由于高度对这个区域能形成完全遮挡，而飞机没有飞到该区域上空，那么无论增加多少相机都不可能拍到被遮区域，从而造成建筑模型几何结构的粘连。建筑密集区域的建筑遮挡问题非常严重。航线重叠度设计不足、航摄时没有从相关建筑上空飞过，都会造成建筑模型几何结构的粘连。为提高建筑密集区域影像采集质量，影像重叠度最多可设计为80%～90%[10]。当高层建筑的高度大于航摄高度的1/4 时，可以采取增加影像重叠度和交叉飞行增加冗余观测的方法进行解决。

5 倾斜摄影数据采集

5.1 外业航飞

选择在无风晴朗的好天气进行航飞，最终获取到多张倾斜影像，影像层次更丰富，色彩更鲜艳，颜色饱和反差适中，更有利于后期三维模型制作[11]。

5.2 像控点测量

根据任务范围和地形合理布设像控点，像控标志应选择较为尖锐、识别度高、反射光的程度好、与周边地物色差大的标志物。除了道路已有交通标志线角点和明显清晰线性地物交点，尽量选用如图2 所示的3类标志类型，利用GPS-RTK 采集像控点坐标值，在不同时段采集3 次，取其平均值，且3 次采集坐标值要求误差在2 cm 范围内[9]。

图2 像控点

5.3 数据预处理

预处理主要包括检查航拍相片的质量，是否存在漏拍、严重色差、云雾遮挡、不合理曝光等情况[12]。按照分型任务和镜头位置将相片进行整理，多架次采集的同一任务区、同一镜头的项目按照时间顺序进行排列，放在同一文件夹下。照片汇集完成后要将其中的空片、飞片删除，同时要做好POS 数据的整理，检查POS 数据数量是否与照片数量完全一致；检查POS数据序号名称是否与照片名称完全一致；将多架次采集的同一任务区的POS 数据按照时间顺序整理到同一文件，为后期数据处理做好基础工作。

5.4 空中三角测量

摄影测量空三加密是根据若干分布于测区内的控制点，运用立体测图技术，计算得到匹配加密点的高程和平面位置[13]。空三计算是由系统自动完成，采用光束法区域网整体平差方法进行，即以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地嵌入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。

5.5 模型创建

建模软件选取行业主流软件Bently 公司的Context Capture（Smart3D），Smart3D 倾斜摄影测量三维建模的基本原理是利用空三加密计算出连接点，以连接点为基础构建不规则三角网TIN 进而生成三维框模，然后利用软件在三维框模中输入航摄影像资料，由软件完成自动影像，进而输出完整的被测场景三维模型[14]。利用Smart3D 软件，对无人机倾斜摄影获取的基础数据，结合野外实测的控制点测量成果进行区域网联合平差，实现多视影像匹配，生成数字地表模型DSM，经纹理映射形成基于实景影像纹理的非单体化模型，即三角网模型成果。海量数据加载技术指的是倾斜摄影模型数据量往往非常庞大，可以充分利用三维超算中心平台自动化建模、三维合成AI 云算合成、正射影像AI 云算合成、DEM AI 云算合成、仿正射拼接Al云算，实现三维云算中心海量高效高质量大数据超算服务，让专业海量数据处理工作由人工智能大数据云算技术来完成，让三维数据生产更快更简单。

5.6 纹理贴图

在完成多视角影像空中三角测量处理后就具备了三维实景建模的基础，在点云密集匹配过程中，纹理提取是按照单模型点云提取的方式进行[15]。基于单体化三维建筑模型的结构与空间特征，区分不同类型面元并对面元分类重组，提取纹理绘制基元，作为自动纹理映射的基本处理单元[16]，最终将各个单体构成的区块纹理融合在一起，提高了模型分层浏览的效率和三维实景建模的质量。无人机倾斜摄影获取的数字三维模型纹理为地物的真实纹理，但是由于镜头反光、地物阴影、大面积相似纹理、分辨率变化异常等问题，可能会导致三维模型局部挂花。为了解决以上问题，需要重新获取初始目标纹理贴图，将三维模型面片的顶点投影至所述初始目标纹理贴图中，得到初始目标纹理贴图坐标，根据初始目标纹理贴图坐标，计算所述初始目标纹理贴图中每个面片内像素的重心坐标，所述初始目标纹理贴图内像素填充为0；根据所述初始目标纹理贴图到原始纹理贴图的映射关系，从原始纹理贴图中拾取颜色放入初始目标纹理贴图中，从而解决三维建筑模型表面纹理映射中存在的纹理遮挡、模糊等问题，获得更精细的纹理映射效果，最终输出高精度数字三维倾斜摄影模型。