城市三维建模工作中无人机倾斜摄影技术的应用

王明柱

（浙江华东建设工程有限公司，杭州 310010）

1 引言

倾斜摄影技术的功能丰富，可同时满足定位、图像和摄像等多重要求，可选择运动速度较快的固定翼或较为稳定的多旋翼，并搭载摄影设备以及传感器等，在较短时间内全方位采集地理信息【1】。现阶段，无人机倾斜摄影技术的重要性逐步提高，是城市三维建模的关键技术。

2 无人机倾斜摄影

2.1 无人机技术

无人机以无线电的遥控作为主要的运动控制装置，根据需求规划航线达到特定的高度，通过配套相机等装置可完成摄影等工作。无人机的组成包含机体、螺旋桨、机翼等，兼具速度快、受限较小、成本低等多重优势。

2.2 倾斜摄影技术

国际测绘技术逐步发展之下，倾斜摄影技术孕育而生，其突破性意义在于改变了传统的正面摄影方式，解决了垂直角度拍摄的局限性，适配多个传感器，通过无人机的运行从多个角度采集信息，从而创建具有三维立体感的图像。基于倾斜摄影技术的应用，生成的三维立体模型能够更为全面且直观地呈现信息，提高了三维视场的可读性，丰富了地理信息，用户在此过程中也可获得更强烈的真实体验感。

2.3 倾斜摄影测量技术优点

1）无人机具有较强的运行能力，其飞行高度合理，可从多个角度完成相应工作，如拍摄、测量数据信息等。

2）影像间具有紧密的关联，即相邻影像存在一定程度的重叠，有助于全面呈现地理信息。有效解决了传统方式下人为干扰过大的问题，全程均可实现信息的自动化匹配，计算机依据程序高效执行命令。

3）现实模型的信息丰富，纹理清晰可见，在传统的垂直摄影方式中，只具备获得物体顶层纹理的能力，而对于侧面纹理的展现力度不足，在应用倾斜摄影技术后，可同时呈现多角度的纹理。

4）投入成本少，得益于倾斜摄影技术运行效率较高的特点，采集信息以及建模都可高效完成。

3 无人机倾斜摄影系统

在某城市的三维建模工作中，以无人机为主要动力装置，搭载市面较为主流的Canon 5D Mark Ⅱ数码相机，各自从特定的角度获取影像数据，再利用PixelGrid 展开对影像的联合空中三角量测，通过此途径确定各影像所对应的外方位参数，再创建三维模型，用于反映城市的建筑物组成以及空间情况。

3.1 无人机倾斜摄影测量的组成

无人机倾斜摄影测量的实现得益于多个部分的协同作用：飞行系统最为基础，为无人机的飞行规划好线路，使其沿着特定的轨迹运行，期间完成拍摄作业；飞行平台主要用于放置摄影机，使其维持稳定，在快速飞行过程中依然可顺利拍摄；地面控制系统主要负责的是数据的接收，如源自无人机的图片、测区内关键的地理信息等；数据输送系统具有调度的功能，发出指令并促使设备做出特定的行为。

3.2 无人机倾斜摄影测量

做好前期准备工作是顺利完成无人机倾斜摄影测量的关键【2】，例如，确定各项飞行数据、高度数据、无人机的型号等，在基础信息以及硬件设备的共同支持下，确保无人机可沿着规划的轨迹飞行，保证高度的合理性，控制拍摄持续时间。在完成航行任务后，对得到的所有拍摄信息做全面的筛选，以便进入到后续处理环节；若不满足要求，则必须再次拍摄。

3.3 相关参数

试验采用了行业内先进的睿铂DG3 倾斜摄影测量5 镜头，5 个镜头分别从顶部、前、后、左、右5 个角度进行拍摄，4个倾斜镜头均采取45°倾角。无人机搭载了GPS/IMU 设备，其直接与顶部镜头对接，获得飞行过程中曝光点的地理位置与姿态信息。本次倾斜摄影测量的主要参数具体如下：

平均飞行高度220m，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，顶部镜头焦距28mm，倾斜镜头焦距40mm，地面分辨率约为0.03m。

3.4 无人机倾斜影像效果

传感器是重要的信息检测装置，将其安装在飞行平台上，分别采取垂直、倾斜的角度布设方式，各自采集影像，可解决传统方式下拍摄过程中易发生遮挡或是局部难以捕捉到位的问题，在对建筑物的测量中可丰富侧面纹理。基于本次摄影测量所采取的参数，建筑物的信息得到全方位的展现，将出现在70 多张倾斜影像上，因此影像信息更为全面。

4 基于倾斜摄影和3Ds Max 的三维建模

4.1 建模思想

以倾斜摄影为基础，再辅以建模软件，依据特定的技术线路（见图1）有序推进各项工作。首先，以得到的影像为基础，对其进行空中三角量测，除此之外，还可得到准确的外方位元素；其次，在上一环节所得数据的基础上创建三维模型，即三维重建；随后，以得到的模型为依据，对每个面做针对性分析，明确其最佳纹理信息，在此基础上执行纹理自动映射；经过上述流程后，将模型输出。

图1 三维城市建模技术路线图

4.2 建模过程

建模的工作内容主要有2 类：一是地面建模，其以数字高程模型DEM 为基础，共同组成TIN，随后再进一步叠加DOM生成；二是以半自动三维建模平台为主要工具，将建筑物屋顶结构分类，得到简单型和复杂型2 种形式的建筑。主要以屋顶形态为划分依据，前者包含平屋顶建筑物、圆柱形建筑物等；后者较为特殊，指的是基于简单结构量测建模方法而难以创建完整模型的各类建筑物，其结构组成普遍复杂，且不具备明确的规律。为提高建模效率，需以构建模型的类型为基本参考，从而开展针对性的采集工作。

4.3 三维建模

倾斜摄影测量是顺利创建三维模型的必要前提，其对于模型精度、造型等均会带来较明显的影响。在经过无人机倾斜摄影后，将生成一套较为完整的原始地理数据信息，但拍摄环境复杂，易受到光线、风力等多重因素的干扰，导致原始资料存在部分缺陷，如过曝或欠曝等。对此，需对照片进行纠正、匀色等，保证三维立体模型的真实性、可靠性。

5 无人机倾斜摄影技术应用效果

不同于传统方式，基于无人机倾斜摄影技术的应用，可从二维转向三维，通过虚拟的方式更为精准地呈现现实状况，为城市管理工作提供了重要支持。

我国GIS 技术已经较为成熟，可提供实时的多维动态表现功能，城市建筑的基础信息能够得到深度整合并投射到系统中，彰显出其专项功能的特质。

三维GIS 技术得到广泛应用，在较大程度上提高了城市运行信息的处理水平，三维城市模型的成型能够丰富信息面，其不再局限于常规的编排信息层面。更为重要的是将信息以巧妙的方式融入三维建设中，为城市智能化发展战略提供了重要支持，成为国土资源管理、道路车流管理等相关工作的基石【3】，为人们的日常工作乃至生活都提供了便捷化的条件。尤其是在重大的事项中，其高效的优势更得到充分的彰显，如业务的审批流程加快，办事效率提高。

正是因为倾斜摄影技术具备较强的地理信息展现能力，因此，人们在此方面的探索脚步从未停止，促使该技术的应用范围逐步扩宽、适用能力持续提升。

6 结语

社会和科技均呈现出日新月异的发展特点，城市三维建模成为多数城市发展进程中的重要工作，国内外城市在此方面的资金、技术投入不断增加。基于无人机倾斜摄影技术的应用，可解决传统建模方式可靠性不足的问题，但在实际应用中依然有局限之处，值得相关人员在此方面做更深入的探讨。在后续的工作中，相关工作人员要把控好总体发展方向，加强对细节的处理，以用户的需求为导向，为日常生产、生活提供便捷的条件，助力于国家公共事业的发展。