无人机倾斜摄影测量在城市三维实景建模中的应用及精度分析

刘晓菲 房华乐

1. 济宁职业技术学院 山东 济宁 272000

2. 山东光大空间地理信息有限责任公司 山东 济宁 272000

随着测绘地理信息技术的不断发展，城市由“数字化”逐步向“智慧化”升级转型，城市建筑不断向高处延伸，传统的二维地图数据已经不能够满足当前经济社会的发展，三维实景模型具有直观的表达性，成为城市发展建设的重要基础地理信息数据，是城市测绘的发展方向[1-3]。现阶段，城市三维实景模型构建的方式主要有单体建模、三维激光扫描以及倾斜摄影测量等方法。单体建模精度较高，但建模效率太低，适用于单个复杂建筑物，对于大面积、多数量的建筑物建设成本较高[4]；三维激光扫描技术建模精度较高，但建设成本高并且需要大量的内业工作，同样适用于少量建筑物建模；倾斜摄影测量技术在构建城市三维实景模型中具有覆盖面广、成本低以及纹理丰富的特点，并且测量精度较高，极大的降低了大规模城市建模的成本[5]。基于此，本文采用旋翼无人机开展城市三维实景建模工作，分析倾斜摄影测量工作建模的关键技术及数据处理流程，为城市大范围三维实景模型的建立提供技术参考。

1 无人机三维建模的原理及技术流程

1.1 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量将近景摄影测量技术与常规无人机摄影测量技术相融合，在无人机飞行平台上搭载五个不同方向的摄像头，其中一个垂直向下，四个倾斜角度，可获取不同角度的地物影像。垂直镜头获取的正射影像可以制作4D产品[6,7]，倾斜镜头可以从不同角度获取建筑物的纹理，借助倾斜摄影测量数据处理平台，可高效的构建位置准确、纹理清晰的三维地物模型。现阶段，倾斜摄影测量构建的三维模型兼容多种GIS应用，可以实现网络共享与应用。

与传统的航空摄影测量相比，倾斜摄影测量从不同角度获取地物纹理及高程，可以从多面反映地物的真实情况，从三维模型上可以直接量取长宽高、坡度、角度等参数[8]，极大的弥补了正射影像测量的不足。但是，由于城市中复杂的建筑物、构筑物以及树木植被的影响，对于遮挡区域也需要人工采用补测的方式将三维模型建立的更加完整，补充缺失区域。

1.2 技术流程

本文采用运5无人机搭载SWDC5AP100倾斜摄影测量系统，采用系统垂直拍摄获取的影像构建地形模型，并制作DOM与DEM[9]，采用四个倾斜镜头及垂直影像制作建筑物的三维白模，纹理贴图后制作三维实景模型。采用人工地面补拍获取遗漏的细节纹理作为补充纹理，总体技术路线如图1所示。

图1 城市实景模型建设总体路线图

2 数据采集

2.1 飞行参数设置

无人机飞行参数主要包括航线、飞行高度两项重要参数。航线设置要满足航向重叠率和旁向重叠率的要求[10]，本次飞行设置航向重叠率为75%，旁向重叠率为80%。飞行高度由基准面高度和地面分辨率决定，计算公式如式1所示。

式1中，H为无人机飞行高度；f为摄影测量镜头焦距；GSD为像片的地面分辨率；s为ccd元件的尺寸。

2.2 控制测量

为确保三维实景产品的数据精度，此次摄影测量工作在测区均匀布设了25个像控点和15个检查点，像控点布设于明显的道路拐角及空地上，采用CORS系统直接获取40个点的空间坐标和高程数据。

3 三维实景模型生产

3.1 建筑物模型

通过立体像对获取建筑物房顶的高程及轮廓面，测量房顶面到DEM的距离，将建筑物直接拉升到地面得到建筑物的白模数据。

（1）建筑物顶部轮廓高程。通过DLG数据直接获取建筑物的顶部轮廓数据，通过空三成果数据在立体采集软件中恢复建筑物的立体像对，获取建筑物的准确高度。对于平顶建筑物可直接量取到建筑物顶面，将测量获取的各建筑物高程赋值到建筑物的顶部范围面上，可以得到带有高程数据的平顶建筑物顶部轮廓；对于尖顶或复杂建筑物则需要量取顶尖结构到屋檐的高度，并通过立体像对采集尖顶房屋到顶部边缘的准确房脊线，并将测量数据添加到各房脊线轮廓上，得到尖顶或复杂建筑物的房顶。

（2）制作实体模型。通过将TIN数据内插获取DEM数据，对DEM数据进行修整获的DEM成果。根据获取的建筑物顶部轮廓高程到DEM的距离，将房顶直接下拉到地面，建立实体模型。

（3）生产建筑物白模。将生产的实体模型导入3Dmax软件中，对建筑物进行细部处理，对地面、房脊线以及特殊结构线等进一步细化处理，最终得到如图2所示的建筑物白模数据。

图2 建筑物白模数据

3.2 建筑物纹理匹配

无人机倾斜摄影测量获取的建筑物纹理特征具有纹理真实的特点，可以反映建筑物外表面真实状况。倾斜影像的贴图流程如图3所示。

图3 影像贴图

无人机摄影测量工作开展时，POS数据已经记录相机拍摄时的瞬时空间位置，根据POS数据计算影像的外方位元素。根据影像定向确定影像的姿态及空间位置，才能满足图片贴图的条件。通过3Dmax软件自动读取三维模型和影像数据，通过软件的自动匹配功能将最佳影像贴图与建筑物白模进行贴合，结果如图4所示。

图4 建筑物纹理匹配

3.3 补测纹理匹配

对于建筑物的顶面和侧面可以通过倾斜影像直接匹配纹理，而对于建筑物旁的道路底面则需要人工进行干预，采用补拍的方式进行影像贴图。无人机是从空中获取地物影像，底面影像由于树木及高大建筑物遮挡，无人机获取的地面影像并不满足直接贴附三维模型的条件，因此需要人工补充获取，采用此种方式获取的地面影像更加真实。通过Photoshop软件的畸变矫正工具对获取的影像进行处理，消除因影像镜头拍摄时产生的角度偏差，校正后的地面影像线条间的位置关系正确，无角度偏差和存在扭曲现象。对于地面有车、人或其它遮挡物的区域进行影像处理，采用Photoshop软件将道路面修整获取地面原貌。采用相同方法对具有代表性的门店广告、高架道路、交通标志等进行补测。

4 精度评价

选取模型中较为明显的18个点作为检查点，从模型中直接获得点位坐标。使用CORS系统直接量测18个点对应的实体位置，获取实测坐标。将从三维模型获取的解析坐标与实测获取的坐标进行对比，对比结果如表1所示。

对表1进行分析可知，18个点中平面位置最大为0.292m，高程最大误差为0.288m，平面中误差和高程中误差均按式（2）计算。经计算可得平面中误差为±0.136m，高程中误差为±0.266m，满足相关测量精度要求。

表1 实测数据与三维模型数据对比表

式2中，M为中误差，△为误差值，n为检测点个数。

5 结论

通过实践可知，基于无人机倾斜摄影测量技术建立城市大范围三维模型具有丰富的纹理特征和较高的空间精度特征，采用此方法极大的降低了城市实景三维模型建立的成本，并且在数据属性和数据精度方面都满足相关测量规范要求。在实际工作中，相关数据处理也存在两点关键技术，一是在处理纹理匹配过程中需要配置较高的计算机以及较为稳定的数据处理软件；二是在进行数据补测过程中要抓住重点，补测具有代表性的地物或区域。