基于倾斜摄影测量技术的三维建模研究

管洪涛

重庆交通大学  重庆   400074

摘 要：相对于传统摄影测量来说，无人机倾斜摄影测量具有生产成本低，快速生成二维、三维模型，并且适用范围广的优点，尤其在城市密集区域，是城市三维建模的有效技术手段。本文从无人机倾斜摄影测量的原理出发，探讨了该方法在三维建模过程中的关键技术，并且对影响建模结果精度的影响因素进行分析，旨在为无人机倾斜摄影测量能更好地应用于城市三维模型构建提供借鉴。

关键词：无人机；倾斜摄影测量技术；三维建模

1. 无人机倾斜摄影测量原理

是在相机主光轴与铅垂线具有一定倾斜角的情况下进行影像拍摄，倾斜摄影测量是在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、4 个倾斜等不同角度进行影像采集，在获取建筑物空间地理信息的同时，获取建筑物全方位的纹理信息，可以更为真实、形象地对建筑物进行表现，其打破了传统摄影测量基于正射影像方法只能从垂直方向进行影像采集的局限。倾斜摄影测量从多个角度对建筑物进行影像采集，获取多张多分辨率、多尺度的影像数据，对区域三维模型构建提供了更为丰富的数据支撑，也方便了空间信息的量测，并且数据获取速度快、处理自动化水平高，有利于数据的及时更新[2]。无人机倾斜摄影测量技术是基于无人机搭载平台的倾斜摄影技术，该技术要点在于可以利用多视角影像进行联合平差，尤其是对传统摄影测量影像遮挡、数据规避方面的处理更为方便，提高了测量过程中地理要素间的连接效果，从而提高三维建模基础数据的准确性。而无人机倾斜摄影测量提高了影像信息的密集程度，通过密集匹配可以获得更为广泛的地物属性信息，尤其加强了对地物特征点、线、面属性信息的获取。

无人机倾斜摄影测量系统主要由无人机飞行平台、GNSS 导航和惯性导航系统、数据传输系统、地面监控系统等组成。为了保证无人机飞行稳定，对倾斜摄影测量的无人机的气动外形及总体结构进行了优化设计，可以满足城市密集区域内的飞行通畅。无人机控制和导航系统是无人机倾斜摄影测量系统的核心部分，包括了飞行控制和管理系统、GNSS导航和惯性导航系统、红外传感器、高度和速度传感器等，可以准确地对无人机飞行姿态、飞行高度、瞬时空间位置等进行记录，控制中心可通过实时的信息反馈对无人机倾斜摄影测量系统飞行姿态、高度等进行调控。

2. 无人机倾斜摄影测量三维建模关键技术

无人机倾斜摄影测量的特点在于在短时间内快速获取多元化的地物空间信息和属性信息，利用匹配后的多方位影像获取高密度点云，构建不同层次、不同细节的三维模型，并对三维模型进行优化，从而形成城市三维模型的矢量结构。无人机倾斜摄影测量三维模型构建的关键技术可以分为四部分：影像匹配、空中三角测量、密集匹配和三角网构建、纹理映射。

2.1影像匹配

无人机倾斜摄影测量获取了反映多个视角的影像资料，为了保证后期的影像融合和目标识别等工作，必须通过一定算法寻求多幅影像间的同名点，建立影像间的融合关系，影像匹配获取的同名点后续要参与空中三角测量过程，是三维建模最为关键的部分，其精度直接影响到三角测量的结果精度。目前，影像匹配算法应用最为广泛的是 SIFT 特征匹配算法，即通过计算特征点间的相似性度量来对影像进行匹配，具有较快的运行速度和较好的抗噪能力。

2.2空中三角测量

即利用少数的控制点，通过共线方程对同名点的坐标、影像的外方位元素等进行求解，用于校正影像模型的空间方位。为了将匹配后的影像校正到统一参考空间下，必须基于空中三角测量结果的坐标点，对形成的影像模型进行相关的数据处理。目前无人机倾斜摄影测量内业数据处理一般采用光束法区域网联合平差，以共线方程为平差基础数学模型，以相邻影像同名点对相交且坐标一致、外业控制点与影像上对应控制点一一对应且坐标一致为平差条件，解算出每幅影像的外方位元素。

2.3密集匹配和三角网构建

通过影像匹配和空中三角测量，形成了基于正确空间方位的影像模型。为了进一步构建三角网，必须通过密集匹配，获取影像模型中的密集点云，而由于多视角影像的特征，对于单幅影像来说，形成的密集点云会产生更丰富的点云信息，且具有较多的重叠信息，可以用来对匹配信息进行校正，提高点云数据的精度，并且重叠信息的存在降低了三维模型构建盲区的出现概率。根据已有的密集点云，构建不规则三角网（TIN），点云重叠信息的多少决定了所构建三角网的复杂程度，重叠度越高，三角网越复杂密集；而地物、地貌的复杂程度越高，三角网的复杂程度也越高。

2.4纹理映射

即进行三维模型的表面装饰工作。原理是建立二维空间点与三维物体表面间的一一对应关系，基于获取的多视角地物纹理特征构建相应的纹理空间信息库，设定一定的筛选条件和空间信息，确定三角网中的每个三角形与纹理空间信息库中的纹理信息唯一对应，最终实现三维模型与纹理空间信息库的精确配准。纹理映射是三维重建的最后一个环节，直接决定着三维重建模型的视觉效果，而倾斜摄影测量获取的影像，在色调、亮度上存在较大差异，城市地物较多，在影像上反映的纹理特征更为复杂，而模型构网后模型数据量大且结构复杂，存在遮挡、碎部细小三角形较多，给纹理重建带来较大难度，所以在纹理映像时应当遵循“最小成像角”原则选择最佳纹理影像，利用模型自遮挡监测、模型简化消除 “边界污迹”、无效三角面元剖分解决局部区域纹理现象。

3. 无人机倾斜摄影测量三维建模精度分析

无人机倾斜摄影测量的最终三维建模精度受测量系统、影像重叠度、控制点布设、数据处理等的综合影响。1） 测量系统本身误差。主要是传感器镜头畸变，破坏了传感器原有的内方位元素和镜头基数。2） 影像质量。在无人机倾斜摄影测量工作过程中，因受外界影响或者系统自身原因会发生震动、传感器摆动等问题，造成采集的影像出现影像位移或者模糊等情况，而飞行过程出现的时间和空间差异，会造成影像色彩偏差，纹理信息模糊。3） 像控点布设和影像刺点。控制点的布设应当满足全区域影像测量精度要求，而控制网的布设方案、控制点数量、控制点空间位置等都直接影响到空中三角测量的最终结果。4） 影像重叠度。影像重叠度直接反映了同名点的多少以及重叠密集点信息的多少，即可以参与平差和影响精度的数据量的大小。5） 数据处理。主要包括三角网构建中信息量的选取、三角网大小的设定、重叠密集点信息的选用、纹理映射数据库的建立和条件筛选以及三维模型构建后的后期修复和处理。

结语

无人机倾斜摄影测量在城市三维模型构建中的作用不言而喻，尤其是该测量系统的灵活性、高精度等特点对城市密集环境的摄影测量具有很高的适应能力。通过相应的数据处理，可以生成能够反应实地环境的二维、三维模型，具有多种扩展形式和应用范围，可以满足不同的数据需求。但无人机倾斜摄影测量三维建模结果精度受到多方面的影响，在进行作业过程中，应当严格把控作业流程，确保建模结果精度。

基金项目：重庆交通大学研究生科研创新基金(2022S0091)

参考文献：

[1] 李镇洲,张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市 3维模型研究[J].测绘与空间地理信息,2012,35(4):117-119.

[2] 周杰.倾斜摄影测量在实景三维建模中的关键技术研究[D].昆明:昆明理工大学,2017.