无人机倾斜摄影在实景三维中国建设中的应用研究

张艳丽 杨峰

摘要：“十四五”任务指出，实景三维中国建设是新型基础测绘的组成部分之一，而实景三维数据的生产主要采用无人机倾斜摄影技术。本文从倾斜摄影技术入手，以实际生产项目为案例，对实景三维模型数据的生产流程进行了介绍，并针对模型存在的拉花、变形、孔洞等问题，进行了深入分析，提出切实可行的解决方案。采用DP-Modeler软件对问题模型进行了处理，取得了较好的模型展示效果。本文的研究，以期为实景三维中国的建设带来借鉴。

关键词：无人机；倾斜摄影；实景三维中国；单体化；实景三维模型

中图分类号：P231     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）07-0107-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

实景三维中国建设是“十四五”时期提出的一项全国性的测绘行业的任务，从国家层面到地方都要求按时高质量完成。实景三维城市建模可采用传统的垂直摄影测量方式，基于虚拟立体像对采集建筑物的顶部信息和量取建筑物的长宽高等，这种方式由于获取的侧面信息较少，后期贴图需要外业利用数码相机补拍，然后往建筑物上贴图，补拍的照片坐标系任意，并且分辨率差异大，贴图的过程中，会对照片进行拉伸旋转等一系列操作，导致最终贴图与实际相差较大[1-3]。也可采用三维激光扫描技术，通过地面和航空方式获取密集的点云数据，然后经过一系列滤波处理等操作，将异常点剔除，然后基于密集的点云数据采集建筑物的结构，量取建筑物的长宽高等。这种方式获取的点云数据量大，对作业人员能力要求高，对电脑配置要求也高，并且获取的点云数据前期处理工作量大，贴图也是补拍方式获取，生产的实景模型与实际相差较大[4-6]。近年来，无人机搭载倾斜相机被广泛用于城市建模，本文首先介绍了倾斜摄影原理，并以某一作业项目为例，对建模流程进行说明。并对模型存在的拉花、变形、孔洞等问题，从原理上进行深入分析，提出切实可行的方案，并采用DP-Modeler软件对上述问题进行了处理。通过对处理前后的模型进行对比可知，采用单体化方式处理的模型，其展示效果较好，可以满足实景三维中国建设的要求。

1 倾斜摄影测量

倾斜摄影测量是指在飞行平台上，搭载多个相机，通过飞控控制多个相机同时曝光拍照，并将下视相机曝光时的位置和姿态记录下来，然后利用摄影测量软件解算，得到数字正射影像、实景三维模型等具有量测特性的成果。倾斜摄影相机一般有2镜头、3镜头、5镜头等，其获取影像的视角不同，获取的照片数不同，目前常用的是5镜头组合，包含1个下视和4个侧视，下视获取被摄物体顶部纹理数据，侧视获取被摄物体侧面纹理数据。5镜头航摄示意图如图1所示。

2 案例分析

某市要开展实景三维模型生产，要求获取建成区2cm分辨率的倾斜影像，完成实景三维模型生产，并对部分建筑进行单体化处理，对场景中的空洞、拉花、变形等问题进行处理。笔者在对该项目进行分析后，提出如图2所示的作业方案，并对其主要环节进行说明。

2.1 测区勘查与资料收集

本次任务区面积约30km2，地势平坦，最高楼约100m。收集到该区域0.2m分辨率的正射影像，其现势性为2022年，可用于本次像控点布设以及测量的底图和路线规划图。

2.2 飞机与相机选择

结合测区勘查情况，本次作业选择多旋翼无人机搭载倾斜5镜头相机。在相机选择时，选择下视焦距为35mm，侧视焦距为50mm，像元大小为4.52um，像幅为7952*5304的相机，其中侧视相机与下视相机夹角为45度，在记录POS数据时，只记录下视相机对应的POS。

2.3 控制测量

为了保证本次成果精度符合项目要求，在航摄实施前进行像控点的布点与采集。基于已有影像，间隔400m均匀布设点位，并将点位标注到影像上，导出电子图存到平板中，并对测点路线进行规划，确保高效率完成像控点的测量工作。像控点点位选取时，尽量选取四周空旷，点位明确的点进行测量，在没有符合要求的点位时，采用喷涂靶标的方式进行点位喷涂，然后对靶标坐标进行测量。在航摄前，要确保靶标完整不被损坏。在对点位坐标测量时，多次测量取平均值。为了内业对点位准确判断与转刺，在测量时，从不同视角、远近距离分别拍摄像控点实地测量照片。

2.4 航空摄影实施

遵循相关法律，对任务区空域进行申请，然后按照空域批复文件中的范围、航摄高度、作业时间段作业。在作业前，结合空域批复文件内容，完成航线的规划，并将航线上传飞控。在确保起飞环境安全时，完成无人机的起飞与数据采集，并对航摄影像成果质量进行检查，主要检查影像的对比度和亮度。通过人机交互方式查看本次成果，影像对比度适中，亮度适中，符合本次项目要求。POS数据个数和下视相机影像对应完整，未出现丢失POS或影像問题，成果可直接用于后续数据的生产。

2.5 空三加密与平差调整

本次数据解算选用瞰景Smart3D软件。由于任务区面积大，在进行空三解算时，将任务区分为4部分，在接边区域，互相重叠3个展点，保留共用的一部分像控点。新建工程，将POS数据和影像数据加载到软件中，完善每个镜头的焦距参数，提交空三任务，开启引擎，进行空三加密解算。在完成自由网空三解算后，查看空三报告，加密点重投影中误差为0.412个像素，影像平均分辨率为1.9cm，成果精度良好。设置空三坐标系统，导入像控点并转刺，并完成带像控点的平差调整。通过查看平差报告，像控点在平面和高程方向较差均小于0.01m，成果精度高，可直接用于模型生产。对于接边区域，分别进行公共点的转刺与平差，并将符合要求的空三进行合并。

2.6 实景三维模型生产

为了便于模型的管理，本次在生产模型时，将设置瓦片命名和模型偏移的原点设置为同一个数，并且其位置基本上位于测区中心。设置模型空间框架和像控点坐标系一致，导入任务区范围线，并对其缓冲50m，设置瓦片大小为100m×100m，分块方式为水平规则格网划分，模型输出格式为OSGB和OBJ，如图3所示，是本次得到的部分模型。

2.7 实景三维模型优化

采用人机交互方式对实景三维模型查看，对存在的问题起因进行分析，并利用DP-Modeler软件，对问题模型进行处理。

2.7.1 建筑物底部模型拉花

倾斜摄影是从空中对地面进行的一种摄影，其在获取影像时，由于建筑物的互相遮挡，伸出屋檐的遮挡等，会导致获取的数据存在盲区。在进行空中三角测量解算时，其提取的是同名点，对于盲区区域，由于缺少影像，导致无法提取同名点和匹配点云数据，因此在后期构建三角网的时候，无法准确地对建筑物结构进行构建，从而导致模型结构拉花。在纹理映射时，没有准确的影像映射纹理，从而会导致映射纹理拉花。

对于建筑物底部模型拉花问题，目前主要采用两种方式进行处理。一种是利用倾斜摄影数据和地面扫描的激光点云数据融合建模。利用扫描的数据构建准确的建筑结构，并将彩色纹理映射到模型上。这种方式要求倾斜数据和点云数据精度极高，才可以准确融合，作业难度较大。另一种是直接利用单体化软件，结合虚拟立体像对，对建筑物结构重建，然后利用补拍的照片进行纹理映射，从而得到结构符合要求的模型成果。本次采用DP-Modeler软件，对部分建筑物进行单体化处理，其优化前后对比如图4所示。

2.7.2 薄墙壁易出现孔洞

在空三解算时，薄墙壁的两侧都会提取到同名点，然后基于多视影像密集匹配算法，会在墙壁的两侧提取大量的密集三维点数据。在后期进行三角网构建时，正常应该是同侧点云构建三角网。而按照三角网构网原则，要求构建的三角网符合邻近点构网，又要满足三边之和最小原则，因此会出现墙壁两侧的点构建同一个三角网，从而导致墙壁出现孔洞。

对于薄墙壁出现孔洞问题，目前主要的优化方案有三种。第一种方案是从点的数量角度出发，即改变匹配算法，获取更加密集的点云，或者获取更高分辨率的影像，进行密集点云的匹配；第二种方案是采用第三方软件，直接对墙壁上的孔洞进行填补。即利用周边的点数据，对孔洞进行三角网的拟合，然后对纹理进行修饰；第三种方案是采用单体化方式，直接舍弃原有模型，然后重建薄墙壁。本次采用DP-Modeler软件，采用单体化的方式对薄墙壁进行优化，优化前后对比图如图5所示。

2.7.3 路灯、独立树木易形成悬浮物

对于路灯和独立树木这类地物，在进行密集点云匹配时，由于其细小等特征，导致匹配的点云数量较少，在进行三角网的构建时，由于点数量无法满足构网需求，因此会导致部分区域无法构网，从而形成孤立的三角网，纹理映射完成后，就形成所说的悬浮物。

对于上述这种问题，目前处理的方式主要有两种，第一种方案是从点的数量角度出发，即改变匹配算法，获取更加密集的点云，或者获取更高分辨率的影像，进行密集点云的匹配；第二种方案是直接对模型中的悬浮物进行删除。因为在某些项目要求中，为了体现场景的干净整洁，对悬浮物进行删除即可。本次采用DP-Modeler软件，直接对悬浮物进行删除，悬浮物删除前后对比图如图6所示。

3 结束语

本文以实景三维中国建设项目为例，对倾斜摄影在实景三维模型生产中的流程进行了说明，并分析了模型存在问题的原因，给出可行的解决方案，并对问题模型进行处理。通过对处理前后的模型进行对比查看可得出，采用本文方案得到的模型成果，其可以满足实景三维中国建设要求，本文的研究可以为实景三维中国建设带来借鉴。

参考文献：

[1] 魏军，于洪雨，靳巧珠，等.无人机倾斜摄影技术在农村房地一体确权登记项目中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2023，46（2）：60-63.

[2]王萍，魏军，苟彦梅.基于Smart3D和SVS软件的实景三维模型生产[J].测绘标准化，2022，38（4）：15-19.

[3] 张懂庆，魏军，王萍.三种倾斜摄影建模软件对比分析[J].测绘技术装备，2022，24（3）：114-119.

[4] 魏军.倾斜摄影数据处理成果的质量检查与评定[J].测绘，2021，44（3）：124-127.

[5]蒋汪洋，和璇.基于无人机倾斜摄影的实景三维中国建设关键技术探讨[J].测绘与空间地理信息，2023，46（S1）：275-278.

[6] 陆士好.倾斜摄影测量实景三维模型的精细化修整[D].徐州：中国矿业大学（江苏），2022.

【通聯编辑：梁书】