无人机倾斜摄影测量技术在三维数字城市建模中的应用

2022-08-16余亨源

低碳世界 2022年5期

余亨源

（重庆市勘测院，重庆 400000）

0 引言

人们通过深入研究和分析无人机技术，逐渐实现了无人机技术与多种现代化先进技术和多个行业的深层融合，全面提升了测绘企业的工作质量和效率，为我国社会的发展提供了有力支撑。传统测绘工作需要采用正射影像图，但其在实际应用中存在较多局限，而无人机倾斜摄影测量技术能够有效解决传统测绘工作中存在的问题，并在三维数字城市建模中呈现出良好的应用效果。

1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是新型测量技术，是把无人机作为测量平台，以无人机搭载倾斜摄影设备及传感设备的方式进行被测物体数据信息测量和采集的综合测量技术。该技术的应用具有多角度采集测量信息、无人化测量管理、高精度数据采集等优势。该技术的应用要点如下。

（1）该技术把无人机作为测量和搭载摄像设备的平台，利用无人机的远程航行、智能操控功能完成航行测量。在应用该技术的过程中，航向设计、航线设计及无人机航摄时间都是非常重要技术要点，只有合理设置各项参数，才能确保合理应用技术，也才能够提升无人机的应用效果[1]。

（2）该技术在应用过程中利用倾斜摄影设备及传感设备采集被测物体的信息。在采集信息的过程中，倾斜摄影设备的像素至少为2000万，摄影的重叠范围需在60%以上，垂直影像倾角一般不大于5°，最大不超过12°。同时，在测量工作中，要合理布置测量摄影点，进而确保各项摄像测量工作良好开展，提升测量的效果。

（3）无人机倾斜摄影测量技术实质上融合了无人机和摄影测量技术，能够提升测量工作的效率[2]。在应用该技术的过程中，需要进行测量需求分析、控制点布设测量、数据源获取分析、数据预处理测量及控制三角测量，按照上述流程进行测量工作，才能够确保测量工作的合理性。

2 三维建模技术

在测绘工作开展的过程中应用三维建模技术是为了处理无人机测量的数据，从而实现导线测量控制应用。在有效应用三维建模技术后，建模工作的开展将更加高效。三维建模技术的使用要点包括以下4个方面。

（1）导入影像数据。将无人机测量的影像数据导入三维软件的文件夹中，方便后续的软件获取及数据分析。

（2）完成空中三角测量检查。该环节是对测量数据的精度进行初步分析和检查的环节。在三角测量检查中，需要建立X、Y、Z三角平面坐标，并需要利用共线方程原理对三角平面坐标进行检查，进而实现对平面坐标精度的查验，并构建平面点之间的相应关系。

（3）完成数据预处理。在构建模型之前，对各项查验过的三维数据进行数据获取分析，主要进行数据去点降噪声、数据差补、数据平滑及数据光顺等工作[3]。在预处理完毕后，数据的精度及影像点云数据的精度提高，进而提升了数据应用的合理性和数据测量的效果。同时，预处理有助于落实数据处理的各项流程，提升数据处理管控的效果。

（4）构建三维模型。在三维软件完成了数据的预处理工作后，就可以构建三维模型。在构建模型的过程中，采用多视觉影像匹配技术对模型进行纹理映射，并在三维软件中构建Tile文件夹，将不同模块的数据导入不同的文件夹中，实现文件夹的综合应用，最终通过持续的数据导入和映射实现三维模型的构建。

3 数字城市建模的要求及特征

三维建模技术能够有效提高三维建模的质量，为三维数字城市建设提供有力支持。使用三维建模技术分析数字化建模数据，能够使数据更加高效地融入三维模型，增强数字化建模效果，同时能使模型更符合用户的使用要求，该技术在城市的创新发展中具有较高的使用价值。相关单位应不断加强三维数字城市建模管理，采用航拍、三维激光扫描等措施提升三维建模的质效。三维建模技术与无人机倾斜摄影测量技术的有效结合能实现良好的模型管理效果，减少模型的建设成本，具有良好的发展和应用前景[4]。这两项技术的有效结合在测绘领域中的应用非常广泛，并且具有较高的价值，能全面提高测绘工程效果。相关单位应提高模型的生产质效，节约模型生产的各项费用，保障数字城市的建模效果。

4 项目概况

某城市不断加快建设步伐，智能化采集、整合、处理信息数据以保证城市治安工作的顺利、高效开展，同时使二维空间数据转变为三维空间数据。当前，该城市开展的智能三维建模项目采用无人机倾斜摄影测量技术，智能三维建模工作开展过程中的关键事项是对前期已有三维数据信息进行更新，并依托相关数据创建新的市区三维模型。该城市新建城区占地面积为80 km2，主要建筑内容为该市新建火车站及主干道路，火车站占地面积约为5120 m2。

5 三维数字城市建模中无人机倾斜摄影测量技术的应用

5.1 应用优势

无人机倾斜摄影测量技术在项目的进程中呈现出以下3个优点。

（1）机动性强，成本低，符合多种尺度摄影测量数据采集工作开展的标准，并能有效减少城市三维建模的各项费用支出，节约项目总成本。

（2）智能、自动化。该技术在运用中能够智能化、自动解决大面积场景的倾斜影响，有效降低工作人员的工作强度，减少人力资源损耗，节约人工成本，同时能有效避免由人工操作造成的失误，进一步提升三维建模的准确度。

（3）该测量技术能够智能化应对高分辨率影响，保证三维建模的效率。

5.2 三维数字城市建模存在的问题及其成因

无人机倾斜摄影测量技术具有较多的应用优势，但是在实际运用中，由于受到设备、自然环境、程序算法等各种因素的干扰，该技术在三维建模的过程中会造成视觉偏差、运用障碍等问题。通过研究和分析，发现该技术当前在运用中存在问题的主要原因有以下4点。

（1）无人机姿态变化：设备姿态变化会引发无人机拍摄重叠度方面的问题。

（2）大气环境的影响：大气环境的变化会给技术的应用造成障碍。

（3）光照的影响：不同时段的光照存在差异，导致了三维建模中纹理不均匀、破洞等问题。

（4）影像分辨率不高：拍摄的影像模糊，导致建设的模型不清晰。

5.3 建模优化措施及建模实践

针对无人机倾斜摄影测量技术在运用中存在的问题，相关人员应结合实际情况进行建模优化。

首先，相关人员应全面分析三维数字城市建模的实际情况，了解模型的不足，并采用几何修复优化措施有效修补摄影破洞，抹平不均匀的纹理，有效修复凸包位置[5]。

然后，相关人员应结合三维数字城市的建模现状，施行细节优化措施，替换或者有针对性地修饰三维模型的主要地面标志物，科学、合理地修补不均匀的纹理。

最后，工程人员应采用相关技术研发三维模型辅助编辑系统，全面提升三维拍摄技术的应用质效，并保证几何修复、纹理修补的成效。三维模型初建和修补后的效果如图1所示。

图1 三维模型初建和修补后的效果

某城市三维建模项目在实践过程中应用无人机倾斜摄影测量技术，根据150 m航高飞行方案进行三维拍摄工作。在此过程中，无人机搭载3台相机对新建城区及火车站进行细致的拍摄和建模，并在拍摄过程中合理利用模型和空中三角测量成果之间的内在联系，在空中三角测量纠正影像建设的过程中，通过拉伸实体建造白模，并根据初始三维模型修缮白模，保证三维建模的成效。

三维建模是数据采集工作顺利进行的基础，可以利用倾斜摄影自动批量建模软件实现多角度、全方位倾斜影像的几何校正、联合平差和多视匹配，获取可视化三维倾斜模型。相关测绘人员完成三维倾斜建模之后，可借助倾斜影像，高效完成相关地物结构及地貌等多项数据信息的采集工作。数据采集主要包含以下3个方面的内容。

（1）人工采集地物要素。例如，工作人员采集倾斜影像中各个控制点的信息数据，获得简单的建筑物轮廓，同时采集建筑物外侧面边线，有效提高采集成果的精度。

（2）自动提取地貌要素三维信息，主要包含等高线、高程点信息的提取工作。工作过程中可借助配套软件实现自动提取，自动提取的信息经过人工操作后可正式投入使用。

（3）处理要素遮挡问题：工作人员可以借助相片等资料补充测量遮挡位置的信息，也可使用激光雷达技术等穿透能力较强的技术避免要素遮挡问题。

5.4 数据处理

（1）数据预处理。相关人员需进行航摄数据检查，影像匀光匀色处理等数据预处理工作。①检查倾斜数据。在检查过程中，相关人员应当保证航摄数据镜头影像的亮度、颜色基本保持相同，在数据相同的情况下，可以直接进行空中三角测量加密处理；在数据不同的情况下，需进行合理的影像匀光匀色处理。②影像匀光匀色处理。在航空拍摄的过程中，由于受到大气的影响，光源会发生折射，因此拍摄的影像经常出现位移、变形、色差等问题，从多视角拍摄的影像色差尤其大，为了保证后续多视角拍摄影像空中三角测量的精度，需要相关人员科学、合理地使用色调模板进行批量匀光匀色处理，同时保证影像纹理信息完整，确保影像色彩平衡，并确保影像与之前获得的影像内容一致。

（2）空中三角测量加密处理。倾斜摄影信息数据的空中三角测量应进行多视角联合平差，在平差过程中需要综合考量多视角影像的遮挡关系和几何形变，同时要针对多视角和垂直视角下的影像开展联合平差。本工程相关人员应用PhotoMesh软件针对性地模拟多视角影像地表投影范围，同时应用从低到高精度的金字塔匹配方法，在各个级别的拍摄影像中实现同名点自动匹配和光束法平差，进而有效获得同名点匹配结果。相关人员创建连接和控制点的坐标文件，根据每秒采样次数（sample per second,SPS）或惯性测量单元（inertial measurement unit,IMU）数据信息进行区域网平差迭代计算，通过反复联合平差结算，最后获得的平面、高程误差更加符合精度标准。

5.5 实景三维模型制作

相关人员通过分块计算建设模型，选择各个视角的最优模型，形成三维尺度密集点云。点云自动转变成不规则三角网TIN模型，根据几何关系，不断改善和优化TIN模型，依照TIN网中的空间位置信息，获得与其相关的多视角影像纹理信息，自动赋予模型纹理，输出三维模型结果。该软件节点采用云的形式实现组织管理生产，在实际工作中结合特定位置划分建模区域，将作业区当作原点中心，自动化合理分块，同时针对分块内部多视角影像数据开展点云匹配计算，形成高密度点云数据。