基于倾斜摄影测量的实景三维建模及精度分析

蔡 威，孙训斌，周 杰

(1.宿迁市公路事业发展中心，江苏 宿迁 223800;2.江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013)

近年来，伴随着“数字城市”的建设与发展，实景三维模型作为其重要的基础数据载体得到了越来越广泛的应用[1]。如何高效构建城市实景三维模型成为当前重点研究方向。传统的三维建模方法主要有三种：基于二维矢量数据、基于摄影测量技术以及基于三维激光扫描技术，但这些方法存在数据量大、作业周期长、建模效率低等缺点，且无法还原真实场景。倾斜摄影测量技术的出现改变了这一现状，它通过飞行平台搭载的五镜头相机，能够快速高效的采集地物多角度纹理信息，将地物特征真实立体还原，具有获取数据简单、建模效率快、真实感强等优势。

本文采用迪奥普SV6-1无人机，搭载DQ5倾斜摄影测量系统，结合ContextCapture实景三维建模软件，对倾斜摄影测量技术构建实景三维建模方法进行研究，以新沂市某区域实景三维建模构建为例，对整个技术流程进行详细介绍，并对模型成果的精度进行分析验证。

1 倾斜摄影测量概述

倾斜摄影测量是一项新技术，近几年得到了快速发展[2-3]。它改变了传统航摄只能获取地物垂直影像的局限，通过在飞行平台上搭载倾斜摄影测量系统，可以获取地物1个垂直、4个倾斜共五个不同角度的高分辨率影像。其拍摄方式如图1所示。

倾斜航摄仪在航飞过程中，可以根据规划好的航线连续拍摄影像，此时飞行平台中的POS系统可记录每张相机曝光瞬间的GPS坐标、位置姿态、航高等信息，倾斜摄影测量系统获取的连续几组五镜头影像数据如图2所示。通过该方法获取的影像数据，不仅具有地物的丰富纹理信息，同时赋有高精度地理位置信息，这为后期实景三维建模提供了良好的数据基础。该方法构建的实景三维模型具有成本低、效率高、真实还原地物现状等优点，广泛应用于数字城市建设、城市信息化管理、城市规划管理等方面[4]。

2 倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的技术流程

基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模的技术流程如图3所示。

具体步骤包括以下几个方面：

1)准备工作。测区范围划定后，首先需进行现场踏勘，查看航飞区域现场周边有无特殊情况。然后确定飞机型号、相机类型以及时间和人员安排等。

2)航高设计。根据航摄区域地物高度、地面分辨率等综合情况进行航高设计。航高示意图(如图4所示)及公式如下：

其中，H为航摄高度，m；f为相机镜头焦距，mm；a为像元尺寸，mm；GSD为地面分辨率。

3)航线布设。在布设航线时，要根据测区走向进行航线的布设，同时要确保首末航线的侧视镜头获取的影像能够覆盖测区。航向覆盖超出航摄区域边界线至少3条基线，像片航向重叠与旁向重叠一般设计为70%～80%[5]。

4)像控点布设。像控点是航测内业加密的依据，像控点按区域网布设，由于倾斜摄影重叠度高、有多视角影像，且自身带有POS数据，外业布设像控点基线跨度可适当放宽，但在加密过程中检查点精度必须满足精度指标。

5)数据获取。利用飞行平台搭载倾斜摄影测量系统进行航飞，获取地面物体多视角影像以及POS系统采集的初始外方位元素数据等。

6)多视角影像空中三角测量。首先从多视角影像中提取特征点，采用多视密集匹配技术将特征点中的同名点进行配准，通过光束法区域网平差、影像畸变改正后，计算出每张影像精确的外方位元素[6]。

7)三维重建和纹理映射。利用多视影像提取的同名点坐标，生成地物高密度高精度的三维点云数据，对点云数据构建不规则三角网，形成TIN模型，并生成白膜模型。将纹理影像与TIN模型进行配准，生成实景三维模型成果[7-8]。

3 应用案例及精度分析

3.1 试验区概况

试验区位于新沂市，新沂地处江苏省北部，西靠邳州市、东接东海、沭阳两县，南隔骆马湖与宿迁市相望，北与山东郯城县相邻。地跨东经117°59′～118°39′，北纬34°06′～34°26′。区域面积1 591 km2。本文选取新沂某地面积约1.2 km2的区域开展研究，具体航摄范围如图5所示。

3.2 倾斜影像获取

本项目采用迪奥普SV6-1多旋翼无人机，搭载DQ5倾斜摄影测量系统进行多视角影像获取。首先在无人机地面控制系统中进行航线规划，采用南北方向飞行方式，设置相对航高100 m，航向和旁向重叠分别为80%,70%，获取下视和斜视影像共计5 175张，影像地面分辨率为1.4 cm。利用无人机自带的POS系统同时获取了影像的初始外方位元素。

像控点布设是保证模型成果数学精度的关键。本次试验在测区范围均匀布设11个像控点，以确保模型成果精度。坐标系统采用CGCS2000国家大地坐标系，中央经线120°。航线及像控点分布如图6所示。

3.3 实景三维建模

采用ContextCapture软件进行实景三维建模，首先在ContextCapture中导入倾斜影像、POS数据，经过特征点提取、相对定向、连接点匹配、区域网平差等步骤的运算处理，获得试验区空三结果。根据空三结果，在ContextCapture中高效提取影像特征点，生成高密度点云数据。为了提高数据处理效率，对整个区域分55个建模单元进行精细构建TIN模型，最后通过自动纹理映射生成试验区的大场景实景三维模型，部分区域的实景三维模型如图7所示。

3.4 精度分析

为了验证实景三维模型成果的精度，在试验区范围内随机选取了15个检查点，将GPS-RTK实测的坐标与三维模型上对应点进行差值比较，并计算中误差，以此来评价模型的精度。

三维模型精度统计表如表1所示。

表1 三维模型精度统计表

从表1中可以看出，平面最大误差为0.035 m，最小误差为0.011 m，平面中误差为0.03 m;高程最大误差为0.12 m，最小误差为0.02 m，高程中误差为0.08 m。其精度完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》要求。

同时也可以满足更大比例尺地形图测绘工作。

4 结语

本文基于倾斜摄影测量技术，对实景三维模型构建方法进行研究，并对模型精度进行了分析验证，其精度满足相应规范要求。该方法具有成本低、效率高、现势性强等优点，适合大面积区域城市三维建模。同时该方法也有一定的不足，地物遮挡处细节表达不够完整、存在悬浮物等情况，如何构建更精细的三维模型是下一步重点研究的内容。