无人机倾斜摄影实景三维模型制作优化研究

摘要：针对倾斜摄影空三解算易失败、实景三维模型建筑物变形、文字清晰度低等问题，本文在分析倾斜摄影技术后，给出空三易失败的原因及提出优化措施，并将其应用于实际作业项目。对生产的模型存在的问题，分析了模型问题产生的原因并给出了解决方案。通过对模型进行优化处理后，优化前后的模型对比显示：优化后的模型建筑物结构更完整，文字清晰度更高，从精度和模型美观上来说，更有利于城区的三维管理。本文的研究旨在为城区精细化模型制作提供思路，并为城区高质量模型的制作带来借鉴。

关键词：无人机；倾斜摄影；实景三维模型；模型优化；精细化模型

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）22-0117-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，城镇化进程推动了城市的快速发展。然而，城市发展规划之前一直停留在二维或模拟三维场景之下，这种规划与实际情况差异较大，已经无法满足城市高质量发展规划需求[1]。倾斜摄影由于其真实性高、现势性强、数据易获取、成果精度高等优点，近年来被广泛用于城区实景三维模型的生产[2-3]。然而，倾斜摄影也存在空三加密易失败、实景三维模型建筑物变形、文字清晰度低等问题，这些问题在一定程度上限制了城市三维管理的发展[4-5]。为了解决上述问题，并将倾斜摄影技术真正运用于城区实景三维模型制作，本文对倾斜空三加密易失败的原因进行了分析，并提出了优化措施。本文以实际项目为例，说明了倾斜建模流程，并结合实际生产中模型存在的问题，分析其原因并给出优化方案。最后，将优化方案应用于本次生产的模型中，取得了较好的效果。希望本文的研究可以为城区精细化三维模型的生产提供参考。

1 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术是一种以无人机为飞行平台，搭载多个相机从空中对地面进行航空摄影的技术[6-8]。相较竖直摄影测量，倾斜摄影搭载的相机更多，获取影像的视角更多，得到的影像信息更加丰富，成果精度更高，产品用途更广。对于航空摄影来说，相机的像元大小、相机焦距、航摄相对高度和地面影像分辨率存在如式（1） 的关系：

[H=f*GSD/a] （1）

式（1） 中：[a]表示的是相机的像元大小，[GSD]表示航摄时获取的影像地面分辨率，[f]表示相机焦距，[H]表示航摄时的航摄相对高度。当相机选定后，式（1） 中的变量只有[H]和[GSD]。对于影像解算来说，[GSD]的数值越小，影像清晰度越高，成果解算精度越高。对于城市航摄来说，在安全飞行的前提下，相机选择长焦，像元大小选择小的，可以获取更高分辨率的影像，从而提升数据解算精度。

在倾斜摄影相机选择时，为了数据解算精度更高，一般相机同一种相机，唯一不同的是相机焦距不同。以5镜头相机为例，其由4个下视和1个侧视组成，下视和侧视夹角为45°。在航摄过程中，侧视相机距离被摄物体的距离（假设地面平坦）是下视相机的1.414倍，而分辨率相同可以提升数据的精算精度，因此需要对焦距调整，调整侧视相机焦距是下视的1.414倍。

2 空三加密优化

倾斜影像存在冗余度高、畸变大、分辨率差异大、色差大、定位定姿系统（Position and Orientation System，POS） 数据共用等问题，这都影响空三加密的解算精度。因此在作业前，对航摄数据进行预处理，可以实现对空三加密结果的优化。

2.1 影像质量提升

影像是空三加密解算最重要的数据，目前的算法都是基于影像数据完成的。在倾斜摄影数据解算中，其主要包括影像金字塔构建、特征检测、特征提取、图像相似度计算、特征匹配、平差调整等内容。因此，影像的质量直接影响空三加密成果解算的结果，需要进行优化处理。目前倾斜影像主要存在影像冗余度高、畸变大、分辨率差异大、色差大等问题。为解决上述问题，可采用以下方法：

2.1.1 影像冗余度高优化

影像冗余度主要由影像重叠度和多镜头造成。对于范围线内的影像，后期实际参与生产的应予保留；对于只参与数据解算、对后期模型生产无用的影像可剔除。对于倾斜数据而言，需保留下视镜头对应任务区范围内的影像；侧视镜头因覆盖范围和航高相等，因此距离任务区范围内的一个航高距离的侧视镜头影像也是可以剔除的。任务区范围外的影像，由于其重叠度低、影像质量差，参与数据解算会导致数据解算成果精度降低。影像的剔除可以减少影像总数量，提升影像的解算效率和精度。

2.1.2 畸变大优化

由于倾斜摄影影像畸变大，因此解决影像畸变问题，也可以提升空三的解算精度。影像畸变可以从两方面入手，即对影像畸变进行纠正处理和去除影像边缘部分，让其不参与数据解算。影像畸变处理主要是借助高精度相机参数，对影像进行纠正，对于倾斜摄影相机来说，准确的相机参数获取难度大，一般都是通过软件自检校获取，再进行畸变处理。去除影像边缘部分并不是对原始影像进行裁切，而是采用蒙板技术，对影像参与空三解算的部分进行约束，从而降低影像畸变对空三加密带来的影响。

2.1.3 分辨率差异大优化措施

由式（1） 可知，在相机选定后，影像地面分辨率只与航摄相对高度有关。对于相机焦距带来的分辨率差异大的问题，可采用调整下视和侧视相机焦距之间的关系来解决。对于航摄相对高度带来的影像差异大的问题，目前主要采用变高飞行和仿地飞行技术来解决。即结合建筑物或地形高度，调整航线规划方案，从而获取分辨率尽可能一致的影像数据。

2.1.4 影像色差大优化

在倾斜摄影测量中，由于相机安装角度不同，因此每个相机在曝光时的进光量是不同的，地物互相遮挡，产生的阴影，这些都会导致航摄原始影像成果存在色差。数据解算主要依据影像的纹理等信息，因此色差大也会对影像数据的解算带来影响。采用匀光匀色技术，对照片进行匀色处理，科技解决影像色差大的问题，还可以在一定程度上提升影像整体质量，更有利于数据的解算。

2.2 POS数据优化

目前常见的5镜头相机，在作业过程中，只记录下视镜头相机的POS数据，然后将其作为侧视相机的POS数据共用。由于侧视相机和下视相机存在一定的安装距离和角度，如果能够解算得到侧视相机真实的POS数据，可以有效提升空三加密数据解算的精度和成功率。由于侧视和下视相机安装关系是固定的，因此可以以下视POS作为原始数据，结合相机之间的安装距离和角度关系，解算出准确的侧视相机曝光时的位置和角度，从而实现POS数据的优化。

3 实景三维模型生产

本文基于倾斜摄影技术，生产实景三维模型的流程如图1所示。

采用本文提到的优化方案，对空三加密成果进行优化，空三解算得到的加密点重投影中误差为0.31个像素，所有像控点的三维中误差为0.005m，空三结果精度好。采用倾斜摄影建模软件，自动生产的部分模型如图2所示。

4 模型问题产生的原因及优化方案

对模型成果查看，发现模型存在如下问题：部分三维模型建筑物变形、文字清晰度低。

4.1 模型问题分析

4.1.1 建筑物变形问题分析

建筑物变形主要发生在建筑物底部，这与分析查看和航摄影像拍摄角度有关。倾斜摄影是一种从空中对地面进行的拍摄，由于建筑物相互遮挡、树木遮挡等原因，在很多情况下，无人机无法拍摄到建筑物底部的影像数据，因此存在航摄盲区。在数据解算时，是基于影像纹理等信息进行解算的，对于盲区部分，由于缺乏可靠的影像数据，会导致解算失败或解算错误，这些问题最终会导致建模过程中出现结构变形、纹理拉花等问题。

4.1.2 文字清晰度低

文字清晰度低以及结构不完整主要与航摄影像的质量和分辨率有关。对于模型中的文字，由于航摄影像分辨率低、影像亮度不足等问题，会导致生产出来的模型比较模糊。文字通常较小，有些为镂空结构，因此在建模时，由于缺乏足够的密集点云，模型中的字体可能会出现残缺，这会影响模型的视觉效果。文字作为位置标识，也是一种日常关注的内容，因此对文字进行优化处理是非常必要的。

4.2 模型问题优化方案

4.2.1 建筑物变形优化方案

分析建模全过程，结合航摄影像存在的盲区特点，可以从影像和点云两个方面对建筑物变形进行优化处理。

1） 补充盲区影像数据。由于倾斜摄影是因为视角及遮挡等问题，才导致了建筑物变形，因此可以采取地面补拍照片的方式对建筑物变形进行处理。补拍照片分辨率更高、像片质量更好，可以利用大量的像控点对补拍和倾斜数据生产的空三成果进行约束，确保两种数据源的空三成果能够完全融合。然后基于空三成果，完成多视影像密集匹配、三角网构建及模型的生产，可以解决建筑物模型底部变形拉花的问题。

2） 增加盲区点云数据。模型是无数的三角网组成的，三角网是基于点云构建的，因此增加变形区域的点云数量，提供准确的点云数据，可以解决建筑物变形问题。可采用地面静态或轨迹扫描的方式，获取建筑物底部的点云数据，并在扫描时同时采集建筑物底部的影像数据，确保后期两种点云数据一起完成三角网的构建，将采集的影像映射到三角网上，得到最终优化的建筑物模型成果。

3） 单体化模型优化。模型是利用三角网构建的，采用单体化技术，重新构建三角网，完成模型的优化处理。基于平差后的空三加密成果，导出未畸变照片，优化后的外方位元素和相机参数。将这些数据导入到专业的单体化软件中，构建影像金字塔，重建立体模型，在模型上采集建筑物的顶点三维坐标和建筑物边界线，完成建筑物线框的采集，然后构建三维白模。利用航摄影像完成单体化模型的纹理映射，并对映射错位区域进行修饰，确保纹理映射准确，过渡自然。

4.2.2 文字清晰度低优化方案

对于文字存在的问题，目前可以采用降低航飞高度获取更高分辨率的影像，以提升影像质量，确保构建完整的文字结构。对于获取高分辨率影像，一般要降低航飞高度，或更换相机，实际操作性较差。一般都是基于原始影像，在立体像对模型中，量取字体的高度、宽度等参数，然后重新构建对应的文字，并对字间距、字体进行调整，完成最终的文字部分三维模型成果的优化处理。

5 模型优化处理

本次采用单体化模型优化方案，对建筑物变形问题进行处理，对树木进行删除，得到如图3所示成果。

对清晰度低的文字进行处理，得到如图4所示成果。

6 结束语

本文从倾斜摄影入手，介绍了倾斜摄影技术，并分析了航摄数据对空三加密解算的影响，提出了优化航摄原始数据的措施。以实际项目为例，完成对航摄数据成果预处理操作，并生产得到实景三维模型。查看模型并对模型中存在的问题进行了分析，提出了优化方案，并最终对模型进行了优化处理。通过对比优化前后的模型，可以看出采用本文提出的方案优化后的模型，建筑物结构更加完整，文字效果更加美观，可为城区精细化模型制作带来新的启示。

参考文献：

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[8] 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.

【通联编辑：梁书】