田 超， 王書(shū)陽(yáng)

(1.深圳市盛鵬勘測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518057； 2.德州市測(cè)繪研究院，山東 德州 253000)

近年來(lái)，“數(shù)字城市”在國(guó)內(nèi)逐漸興起，作為其最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)載體，城市實(shí)景三維模型的構(gòu)建技術(shù)也得到了快速發(fā)展。然而，在眾多三維建模技術(shù)中，傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量雖能高效大范圍地獲取地面三維數(shù)據(jù)，但僅能得到物體的空間坐標(biāo)和頂面信息，對(duì)于側(cè)面紋理則難以獲取，由此造成三維建模過(guò)程非常復(fù)雜，并且缺乏有效的地面三維信息融合度而效果不佳。為了改變這一現(xiàn)狀，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)區(qū)別于常規(guī)的航空攝影測(cè)量，它通過(guò)飛行平臺(tái)搭載多個(gè)鏡頭從不同角度來(lái)采集地面物體數(shù)據(jù)，在高效獲取地面高分辨率正攝影像的同時(shí)還能得到側(cè)面紋理，再經(jīng)過(guò)融合、定位、建模等相關(guān)步驟，就可快速生成真實(shí)直觀的三維實(shí)景模型。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)

無(wú)人機(jī)是通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)備或自動(dòng)化程序進(jìn)行操控的不載人飛行器，包括多旋翼、固定翼、飛艇、直升機(jī)等機(jī)種，其具有機(jī)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、快速響應(yīng)等特點(diǎn)。無(wú)人機(jī)遙感是以無(wú)人機(jī)作為航空攝影平臺(tái)，在快速獲取空間遙感信息的同時(shí)，還能對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動(dòng)化的處理、建模和應(yīng)用分析，在當(dāng)今測(cè)繪領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過(guò)將多鏡頭相機(jī)安裝在同一個(gè)飛行平臺(tái)上(如圖1所示，一般為5鏡頭)，從四個(gè)傾斜和一個(gè)豎直共五個(gè)方向同時(shí)獲取地面物體的影像，其中和地面垂直的一組影像稱為正片，與地面成一定角度的四組影像稱為斜片。在拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄飛行器的航速、航高、旁向和航向重疊等參數(shù)，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，飛行器可連續(xù)拍攝出多組影像重疊的像片，內(nèi)業(yè)人員可以在三張像片上找到同一個(gè)地物，并且選擇其中最清晰的一張像片進(jìn)行紋理制作，這樣就可以輕松地分析出建筑物的結(jié)構(gòu)。所獲影像再經(jīng)過(guò)幾何糾正、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、傾斜影像匹配、DSM點(diǎn)云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射等步驟處理，最終生成真實(shí)直觀的實(shí)景三維模型。傾斜攝影測(cè)量的影像數(shù)據(jù)不但能反映地面物體的真實(shí)情況，而且還可以通過(guò)測(cè)量定位技術(shù)，將地理信息和屬性信息嵌入到影像中，從而使用戶獲得全方位的體驗(yàn)，讓遙感影像的應(yīng)用范圍得到極大地拓展。

圖1 多角度航空影像獲取示意圖

1.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)流程

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)流程圖

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 項(xiàng)目背景

根據(jù)某地區(qū)數(shù)字城市規(guī)劃建設(shè)的需要，深圳市盛鵬勘測(cè)技術(shù)有限公司參與了該市實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目，該測(cè)區(qū)近似正方形形狀，南北長(zhǎng)約15.3 km，東西長(zhǎng)約14.2 km，共需要構(gòu)建約200多平方公里的多層次多細(xì)節(jié)的中心城區(qū)精細(xì)三維模型，為社會(huì)公眾和城市管理提供可持續(xù)發(fā)展的信息化服務(wù)。

2.2 傾斜影像獲取

本次作業(yè)由南方“天巡”無(wú)人機(jī)執(zhí)飛，飛機(jī)攜帶SWDC-5傾斜數(shù)字航空攝影相機(jī)、POS機(jī)載定位定姿系統(tǒng)，航線設(shè)計(jì)采用專用飛行管理系統(tǒng)和航攝計(jì)劃軟件；航帶旁向重疊度和航向重疊度都設(shè)定為70%，影像地面分辨率為0.06 m，分別從四個(gè)傾斜和一個(gè)豎直方向進(jìn)行拍攝,獲取地面物體的多視角影像以及側(cè)面紋理，同時(shí)通過(guò)POS系統(tǒng)得到所有像片的外方位元素。

2.3 傾斜影像處理

對(duì)采集到的影像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、光學(xué)畸變糾正、像片色彩均衡、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、傾斜影像匹配，通過(guò)處理得到最終的航攝成果，為后續(xù)的數(shù)字產(chǎn)品制作奠定基礎(chǔ)。

2.4 實(shí)景三維建模

利用PhotoMesh7.0實(shí)景建模軟件進(jìn)行三維模型自動(dòng)批量構(gòu)建。PhotoMesh7.0是融合計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖形學(xué)、航空攝影測(cè)量學(xué)等高新技術(shù)，可將不同格式、不同分辨率的二維像片，經(jīng)過(guò)DSM點(diǎn)云生成、構(gòu)建TIN、紋理映射等步驟，快速批量地構(gòu)建成帶有紋理的精細(xì)三維網(wǎng)格模型。

2.5 精度分析

為了分析三維模型的精度，外業(yè)航測(cè)階段在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了10個(gè)檢查點(diǎn)。利用網(wǎng)絡(luò)RTK分別測(cè)量出這些點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)在三維模型上讀取檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，以外業(yè)實(shí)測(cè)坐標(biāo)為真值，讀取的坐標(biāo)為計(jì)算值，統(tǒng)計(jì)得出兩者之間的較差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，最后得出三維模型的精度。

表1 三維模型精度統(tǒng)計(jì)表(單位：m)

從表1數(shù)據(jù)得出，本項(xiàng)目三維模型平面位置最大誤差為0.334 m，中誤差為0.206 m；高程最大誤差為0.395 m，中誤差0.180 m，精度符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)的規(guī)定。

2.6 成果展示

本項(xiàng)目通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)只用了4個(gè)月時(shí)間就完成了所有建模工作，相比過(guò)去的人工建模方式大大縮短了工期，提高了效率。圖3為其中某一副實(shí)景三維模型成果。

圖3 某一幅實(shí)景三維模型成果

3 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)三維建模方法相比，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在高清晰度像片自動(dòng)匹配建模技術(shù)上，改變了常規(guī)模式帶來(lái)的許多弊端，實(shí)現(xiàn)了快速、自動(dòng)并一體化地構(gòu)建城市三維模型，大大降低了建模的成本，顯著提高了生產(chǎn)效率，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，該方法適合大范圍三維模型的構(gòu)建。通過(guò)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在樹(shù)林或高大建筑物集中地區(qū)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影容易受到遮擋，這時(shí)還需通過(guò)常規(guī)技術(shù)手段來(lái)補(bǔ)充信息，所以該技術(shù)方案還需在進(jìn)行開(kāi)展的三維城市建模生產(chǎn)項(xiàng)目中不斷改進(jìn)和完善。