無人機傾斜攝影的城市實景三維建模（基于Smart3D從航飛到建模）

摘 要: 以合作市實景三維建模為例，闡述了無人機傾斜攝影、實景三維模型 數據生產的基本原理。利用無人機搭載傾斜相機的方式采集影像數據，選用 ContextCapture 軟件作為數據處理平臺，將從影像中獲得的紋理信息和幾何模型相結合，構建合作城區附近 24 km2的實景三維模型。

引 言

傳統的航空攝影測量技術經過多年的不斷發展，至今已經非常成熟，在 1∶ 10 000、1∶ 5 000 基礎測繪及大比例尺地形圖測繪中發揮著重要作用。隨著計算機技術、虛擬現實等技術的發展，空間信息技術也迎來了前所未有的變革。以傳統航空攝影測量技術理論與方法為基礎，從 20 世紀 90 年代開始國際地理信息領域逐步發展了傾斜攝影的理論與技術方法［1］ 。傾斜攝影測量通過在一個飛行平臺上搭載多臺相機，從不同的角度采集地面影像，突破了傳統航測只拍攝下視影像的局限，是對航測理論與實踐的革命性創新。利用傾斜攝影技術，可以從影像中提取地物空間位置、建筑結構、色彩與紋理等，然后按照統一的坐標系迅速建立城市實景三維數據模型，用戶能夠直觀地從三維模型上判讀河流、湖泊、山川、道路、建筑物等，彌補了傳統航空攝影及正射影像的不足。實景三維建模是傾斜攝影最重要的應用方向。

傳統三維建模方式需要采用人工實地拍照的方法，得到建筑物的細部紋理，存在工作量大、時間成本高、紋理失真、模型精度低等缺點 。傾斜攝影利用多傳感器，從多角度觀測同一地物，地物紋理更加豐富，效果更加真實，是未來三維城市建模的主流方向 。

本文以甘南州合作市城區為試驗區，開展了利用無人機傾斜攝影測量技術建立城市三維實景模型的技術試驗，總結了技術方法流程，并對實施過程中需要注意的技術要點進行了探討。

1 區域概況

合作市為甘肅省甘南藏族自治州州府所在地，位于甘南州北部，地處甘、青、川三省交界處，青藏高原東南端。本試驗區為合作市城區，面積 24 km2。合作城區海拔約 2 930 m，四周被低山環繞，為一近橢圓形的低洼盆地。南北分別為當周山和阿姻尼念山，城區南北長、東西窄。合作市總體地勢平坦，自東南向西北傾斜，合作河由南向北穿過市區。

2 無人機傾斜攝影

2． 1 基本原理

無人機航測系統是一種以無人機為飛行平臺，以各

類傳感器為主要載荷，能夠獲取遙感影像信息的無人航測數據獲取系統。無人機主要包括機體、飛行控制系統、數據鏈、電源等。飛行控制系統是無人機的核心，對系統的穩定性等有重要影響。目前，無人機航測系統已成為傳統航測系統的重要補充，具有機動靈活、空域限制小、高效快速、成本低廉的特點，在小區域獲取高分辨率影像具有顯著優勢。

傾斜攝影測量技術是當前一項新興、熱門的測繪技術。它通過在飛行器上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等多個角度拍攝，獲取高精度影像。國內外傾斜攝影平臺較多，如 ADS 系列相機、ＲCD30 傾斜航攝儀、微軟公司的UCO － P 航攝儀、Pictometry 傾斜攝影系統、四維遠見的SWDC － 5 傾斜相機等。較常見的傾斜航攝儀多為 5 拼相機，5 臺相機分別朝向前、后、左、右和垂直向下。在每個曝光點上，由多個鏡頭同時獲得不同角度的影像。同一特定地物可以在不同曝光點多個不同角度影像上成像。為便于后期對數據進行處理，拍攝影像時需同時獲取曝光時間、平面位置、航高、大地高、飛行姿態等數據。將無人機與傾斜攝影技術相結合，是實現低成本、快速建立城市實景三維模型的有效方式。由于無人機飛行高度低，所拍攝的傾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼觀測顏色，能夠顯著提高城市三維模型的真實感。

2． 2 傾斜影像獲取

傾斜影像是利用具有固定角度的傾斜相機拍攝獲取

的。本研究采用目前國內較成熟的 DM － 150 無人機平臺進行航攝，該機型對場地要求低，支持滑跑、彈射等起飛方式，可以在陰天作業，飛行高度 300—6 000 m。使用的航攝儀為 DM5 － 3600，該航攝儀由 5 臺 sony 7Ｒ 相機組成，傾斜相機與下視夾角為 38°?；緟狄姳?1。

根據 1∶ 1 000 地形圖成圖規范和三維建模對數據的要求，原始像片空間分辨率為 0． 09 m。無人機相對航高645． 5 m，南北向共飛行 24 條航線，為保證城區建筑物紋理信息采集精度，在主城區及周邊山區采用不同的旁向重疊度進行航攝。主城區旁向重疊度為 70% ，航向重疊度為 77% ，周邊山區因地物簡單，主要是對地形進行建模，航向重疊度為 77% ，旁向重疊度為 47% 。測區航攝示意圖如圖 1 所示

圖 1 合作市傾斜攝影示意圖

無人機攝影完成后，需對攝影數據進行分析、整理，主要的成果包括傾斜影像和 POS 數據( 見表 2) 。

3 合作市實景三維模型生產

3． 1 基本原理

傾斜攝影測量三維建模以傾斜影像為數據源，集成傾斜影像與下視影像數據進行平差計算，構建三維環境，可彌補單一視角數據遮擋、紋理不豐富、多余觀測不足等局限。實景三維建模的關鍵技術有數據預處理、傾斜影像區域網聯合平差、點云密集匹配、不規則三角網構建、紋理映射及三維建模等。其中，關鍵點是傾斜影像聯合平差、紋理映射和實景三維模型自動構建。

利用傾斜攝影測量技術進行實景三維建模具有以下特點:

1) 逼真地反映地物地貌實景三維模型突破了平面地圖無法描述地物立體結構與三維紋理的限制，讓用戶可以從不同角度瀏覽同一地物，可真實地表達地物周邊環境。由于傾斜攝影實現了多個角度觀測，同一地物在影像中存在上百次的多余觀測，紋理豐富，通過計算機算法實現紋理的智能提取與映射，能夠大大提高三維建模的效率。與傳統的三維建模相比，目視效果更加逼真。2) 模型可量測性基于傾斜攝影技術建立的實景三維模型具有真實的地理坐標，能夠進行點坐標、高程、線段距離、面積、土石方量、坡度、方位角等的量測，可在市政、國土、工程建設等行業中廣泛應用 。3) 傾斜影像聯合加密利用實景三維建模技術，結合下視與傾斜拍攝影像進行聯合平差，匹配密集點云，并完成紋理映射，建立逼真的三維場景。

3． 2 技術流程

本研究采用的實景三維建模軟件是 ContextCapture，該軟件前身為 Acute3D 公司的 Smart3D，是一個革命性的全自動三維建模軟件，能夠無須人工干預地利用連續多角度影像，生成超高密度點云，并在此基礎上生成高分辨率的具有真實影像紋理的三維場景?；谠撥浖嫿▽嵕叭S模型的基本流程如圖 2 所示。

圖2 城市實景三維模型構建的基本流程

3． 3 數據預處理

對獲取的航攝數據進行整理檢查，檢查內容包括影像質量和文件格式、影像重疊度、POS 記錄信息與影像對應關系。

為保證影像色彩滿足生產要求，原始影像需進行勻光與勻色。處理后的數據應保證整個測區整體色調的一致，且單張航片不偏色。

3． 4 實景三維模型生成

傾斜影像空中三角測量是實景三維模型構建的關鍵步驟。因多視角影像平差需要考慮影像的幾何變形及相互間的遮擋關系，傳統的空三軟件無法處理，傾斜攝影空三平差處理最重要是如何將垂直下視影像和傾斜影像進行混合平差。

ContextCapture 建模精度較高，模型構建采用分塊構建計算，軟件自動選擇不同視角上的最優像對模型，并生成超高密度的點云?；邳c云數據自動構建 TIN 模型，根據三維 TIN 的空間信息，獲取最佳視角影像紋理，并自動賦予模型，輸出 OSGB 格式三維模型成果。ContextCapture生產的實景三維模型如圖 3 所示。

圖3 合作市實景三維模型

3． 5 技術要點

1) 無人機傾斜攝影及三維建模對像片質量要求較高。在保證足夠曝光量的情況下，為了減少像點位移、鏡頭漸暈的影響，提高影像的信噪比，應綜合考慮航攝時的氣象條件、航高等因素，選擇最佳的曝光參數。2) 由于無人機采用非量測型的單反相機進行航空攝影，其鏡頭畸變較大，照片邊緣變形明顯，造成像點、物點不滿足三點共線條件，影響空三加密和三維模型建立的精度。因此，利用準確的相機檢校文件改正照片的畸變差極其重要，直接影響后續處理能否順利完成。3) 盡管無人機自帶的 POS 精度較差，但在執行三維重建任務時，應利用該 POS 數據確定像片間的相對位置關系，軟件通過空中三角測量的處理過程自動優化 POS數據。如果不為原始影像輸入曝光點空間位置數據，會極大地增加連接點匹配的時間，甚至導致失敗。4) 在空三加密過程中，由于無人機獲取的 POS 數據精度較差，在有些區域會出現部分像片不入網及空三模型錯誤的情況，可通過在錯誤區域周邊添加控制點或連接點的方式解決。

4 結束語

近年來，基于無人機傾斜攝影進行三維城市建設得到了快速的發展，其具有紋理真實、數據精度高等諸多優點，在未來實景三維城市和智慧城市的建設中將發揮越來越重要的作用。無人機具有快速靈活和成本低廉的特點，促進了傾斜攝影數據的快速獲取。無人機技術與傾斜攝影技術相結合為未來數字城市以及智慧城市空間框架數據采集提供了一種新的解決思路。