以城市實(shí)景三維建模為例，闡述了無人機(jī)傾斜攝影、實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的基本原理。利用無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)的方式采集影像數(shù)據(jù)，選用 ContextCapture軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，將從影像中獲得的紋理信息和幾何模型相結(jié)合，構(gòu)建合作城區(qū)附近 24 km2的實(shí)景三維模型。

傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，至今已經(jīng)非常成熟，在 1∶ 10 000、1∶ 5 000 基礎(chǔ)測繪及大比例尺地形圖測繪中發(fā)揮著重要作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，空間信息技術(shù)也迎來了前所未有的變革。以傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)理論與方法為基礎(chǔ)，從 20 世紀(jì) 90 年代開始國際地理信息領(lǐng)域逐步發(fā)展了傾斜攝影的理論與技術(shù)方法［1］ 。傾斜攝影測量通過在一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)相機(jī)，從不同的角度采集地面影像，突破了傳統(tǒng)航測只拍攝下視影像的局限，是對航測理論與實(shí)踐的革命性創(chuàng)新。利用傾斜攝影技術(shù)，可以從影像中提取地物空間位置、建筑結(jié)構(gòu)、色彩與紋理等，然后按照統(tǒng)一的坐標(biāo)系迅速建立城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)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(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影及正射影像的不足。實(shí)景三維建模是傾斜攝影最重要的應(yīng)用方向。

傳統(tǒng)三維建模方式需要采用人工實(shí)地拍照的方法，得到建筑物的細(xì)部紋理，存在工作量大、時(shí)間成本高、紋理失真、模型精度低等缺點(diǎn) 。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(shí)，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(qū)為試驗(yàn)區(qū)，開展了利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立城市三維實(shí)景模型的技術(shù)試驗(yàn)，總結(jié)了技術(shù)方法流程，并對實(shí)施過程中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討。

1、區(qū)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(yàn)區(qū)為合作市城區(qū)，面積 24 km2。合作城區(qū)海拔約 2 930 m，四周被低山環(huán)繞，為一近橢圓形的低洼盆地。南北分別為當(dāng)周山和阿姻尼念山，城區(qū)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(qū)。

2、無人機(jī)傾斜攝影

2．1 基本原理

無人機(jī)航測系統(tǒng)是一種以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，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(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。無人機(jī)主要包括機(jī)體、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、電源等。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的核心，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性等有重要影響。目前，無人機(jī)航測系統(tǒng)已成為傳統(tǒng)航測系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、空域限制小、高效快速、成本低廉的特點(diǎn)，在小區(qū)域獲取高分辨率影像具有顯著優(yōu)勢。

傾斜攝影測量技術(shù)是當(dāng)前一項(xiàng)新興、熱門的測繪技術(shù)。它通過在飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，從垂直、傾斜等多個(gè)角度拍攝，獲取高精度影像。國內(nèi)外傾斜攝影平臺(tái)較多，如 ADS 系列相機(jī)、ＲCD30 傾斜航攝儀、微軟公司的UCO － P 航攝儀、Pictometry 傾斜攝影系統(tǒng)、四維遠(yuǎn)見的SWDC － 5 傾斜相機(jī)等。較常見的傾斜航攝儀多為 5 拼相機(jī)，5 臺(tái)相機(jī)分別朝向前、后、左、右和垂直向下。在每個(gè)曝光點(diǎn)上，由多個(gè)鏡頭同時(shí)獲得不同角度的影像。同一特定地物可以在不同曝光點(diǎn)多個(gè)不同角度影像上成像。為便于后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，拍攝影像時(shí)需同時(shí)獲取曝光時(shí)間、平面位置、航高、大地高、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)。將無人機(jī)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)低成本、快速建立城市實(shí)景三維模型的有效方式。由于無人機(jī)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(shí)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(jī)拍攝獲取的。本研究采用目前國內(nèi)較成熟的 DM － 150 無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行航攝，該機(jī)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(yè)，飛行高度 300—6 000 m。使用的航攝儀為 DM5 － 3600，該航攝儀由 5 臺(tái) sony 7Ｒ 相機(jī)組成，傾斜相機(jī)與下視夾角為 38°?；緟?shù)見表 1。

根據(jù) 1∶ 1 000 地形圖成圖規(guī)范和三維建模對數(shù)據(jù)的要求，原始像片空間分辨率為 0． 09 m。無人機(jī)相對航高645． 5 m，南北向共飛行 24 條航線，為保證城區(qū)建筑物紋理信息采集精度，在主城區(qū)及周邊山區(qū)采用不同的旁向重疊度進(jìn)行航攝。主城區(qū)旁向重疊度為 70% ，航向重疊度為 77% ，周邊山區(qū)因地物簡單，主要是對地形進(jìn)行建模，航向重疊度為 77% ，旁向重疊度為 47% 。測區(qū)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(jī)攝影完成后，需對攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，主要的成果包括傾斜影像和 POS 數(shù)據(jù)( 見表 2) 。

3、合作市實(shí)景三維模型生成

3．1 基本原理

傾斜攝影測量三維建模以傾斜影像為數(shù)據(jù)源，集成傾斜影像與下視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，構(gòu)建三維環(huán)境，可彌補(bǔ)單一視角數(shù)據(jù)遮擋、紋理不豐富、多余觀測不足等局限。實(shí)景三維建模的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)預(yù)處理、傾斜影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、點(diǎn)云密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射及三維建模等。其中，關(guān)鍵點(diǎn)是傾斜影像聯(lián)合平差、紋理映射和實(shí)景三維模型自動(dòng)構(gòu)建。

利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模具有以下特點(diǎn):

1) 逼真地反映地物地貌

實(shí)景三維模型突破了平面地圖無法描述地物立體結(jié)構(gòu)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(shí)地表達(dá)地物周邊環(huán)境。由于傾斜攝影實(shí)現(xiàn)了多個(gè)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(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)建立的實(shí)景三維模型具有真實(shí)的地理坐標(biāo)，能夠進(jìn)行點(diǎn)坐標(biāo)、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(shè)等行業(yè)中廣泛應(yīng)用 。

3) 傾斜影像聯(lián)合加密

利用實(shí)景三維建模技術(shù)，結(jié)合下視與傾斜拍攝影像進(jìn)行聯(lián)合平差，匹配密集點(diǎn)云，并完成紋理映射，建立逼真的三維場景。

3．2 技術(shù)流程

本研究采用的實(shí)景三維建模軟件是 ContextCapture，該軟件前身為 Acute3D 公司的 Smart3D，是一個(gè)革命性的全自動(dòng)三維建模軟件，能夠無須人工干預(yù)地利用連續(xù)多角度影像，生成超高密度點(diǎn)云，并在此基礎(chǔ)上生成高分辨率的具有真實(shí)影像紋理的三維場景?；谠撥浖?gòu)建實(shí)景三維模型的基本流程如圖 2 所示。

圖2 城市實(shí)景三維模型構(gòu)建的基本流程

3．3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對獲取的航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行整理檢查，檢查內(nèi)容包括影像質(zhì)量和文件格式、影像重疊度、POS 記錄信息與影像對應(yīng)關(guān)系。為保證影像色彩滿足生產(chǎn)要求，原始影像需進(jìn)行勻光與勻色。處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)保證整個(gè)測區(qū)整體色調(diào)的一致，且單張航片不偏色。

3．4 實(shí)景三維模型生成

傾斜影像空中三角測量是實(shí)景三維模型構(gòu)建的關(guān)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(guān)系，傳統(tǒng)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(jìn)行混合平差。

ContextCapture 建模精度較高，模型構(gòu)建采用分塊構(gòu)建計(jì)算，軟件自動(dòng)選擇不同視角上的最優(yōu)像對模型，并生成超高密度的點(diǎn)云?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)構(gòu)建 TIN 模型，根據(jù)三維 TIN 的空間信息，獲取最佳視角影像紋理，并自動(dòng)賦予模型，輸出 OSGB 格式三維模型成果。ContextCapture生產(chǎn)的實(shí)景三維模型如圖 3 所示。

圖3 合作市實(shí)景三維模型

3．5 技術(shù)要點(diǎn)

1) 無人機(jī)傾斜攝影及三維建模對像片質(zhì)量要求較高。在保證足夠曝光量的情況下，為了減少像點(diǎn)位移、鏡頭漸暈的影響，提高影像的信噪比，應(yīng)綜合考慮航攝時(shí)的氣象條件、航高等因素，選擇最佳的曝光參數(shù)。

2) 由于無人機(jī)采用非量測型的單反相機(jī)進(jìn)行航空攝影，其鏡頭畸變較大，照片邊緣變形明顯，造成像點(diǎn)、物點(diǎn)不滿足三點(diǎn)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(zhǔn)確的相機(jī)檢校文件改正照片的畸變差極其重要，直接影響后續(xù)處理能否順利完成。

3) 盡管無人機(jī)自帶的 POS 精度較差，但在執(zhí)行三維重建任務(wù)時(shí)，應(yīng)利用該 POS 數(shù)據(jù)確定像片間的相對位置關(guān)系，軟件通過空中三角測量的處理過程自動(dòng)優(yōu)化 POS數(shù)據(jù)。如果不為原始影像輸入曝光點(diǎn)空間位置數(shù)據(jù)，會(huì)極大地增加連接點(diǎn)匹配的時(shí)間，甚至導(dǎo)致失敗。

4) 在空三加密過程中，由于無人機(jī)獲取的 POS 數(shù)據(jù)精度較差，在有些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)部分像片不入網(wǎng)及空三模型錯(cuò)誤的情況，可通過在錯(cuò)誤區(qū)域周邊添加控制點(diǎn)或連接點(diǎn)的方式解決。

4、結(jié)束語

近年來，基于無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維城市建設(shè)得到了快速的發(fā)展，其具有紋理真實(shí)、數(shù)據(jù)精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來實(shí)景三維城市和智慧城市的建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。無人機(jī)具有快速靈活和成本低廉的特點(diǎn)，促進(jìn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)的快速獲取。無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合為未來數(shù)字城市以及智慧城市空間框架數(shù)據(jù)采集提供了一種新的解決思路。