王黎瀟

(青海省不動產(chǎn)登記事務(wù)中心，青海 西寧 810000)

0 前 言

“數(shù)字城市”建設(shè)成果在國民經(jīng)濟建設(shè)中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，并且以直觀、可視化、信息更加豐富為顯著特點的“三位數(shù)字城市”建設(shè)成果，成為應(yīng)用創(chuàng)新的推動劑。通過實施三維數(shù)字城市項目，提供現(xiàn)狀三維模型，屬性數(shù)據(jù)庫，搭建一個充分直觀展示城市地形地物和城市形態(tài)的數(shù)字化可視平臺，為城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市運營管理提供數(shù)據(jù)支持和決策參考[1-2]。

在國內(nèi)外測繪領(lǐng)域，無人機傾斜攝影技術(shù)作為最新的一項新的測繪技術(shù)，已經(jīng)在實際生產(chǎn)中起到了越來越廣泛的應(yīng)用。在城市三維模型制作方面，該技術(shù)有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢和未來的發(fā)展方向[3-6]。本研究選擇河南省省會鄭州市下轄上街區(qū)作為研究區(qū)，重點研究的是無人機傾斜攝影技術(shù)在三維建模中的作業(yè)流程和作業(yè)方式。

本研究為今后國內(nèi)外開展類似區(qū)域的城市三維模型制作提供了技術(shù)參考及依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

河南省鄭州市上街區(qū)位于河南省豫東平原和豫西丘陵的交界地帶，經(jīng)度為113(°)14(′)45(″)～113(°)19(′)05(″)N，緯度為34(°)35(″)～34(°)40(″)E之間。上街區(qū)創(chuàng)立于上世紀50年代，主要是國家根據(jù)第2個5年計劃而創(chuàng)立的新型工業(yè)型城區(qū)，他距離河南省鄭州市主城區(qū)38 km，西距離河南省洛陽市78 km，他是鄭洛工業(yè)走廊的一個重要節(jié)點城鎮(zhèn)。截止到2016年，上街區(qū)面積為65 km2，現(xiàn)轄一個峽窩鎮(zhèn)，有5個辦事處，人口15萬。

2 研究方法

2.1 無人機傾斜攝影技術(shù)的原理及優(yōu)點

自從21世紀以來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外測繪和地理信息領(lǐng)域也在飛速進度，而無人機傾斜攝影技術(shù)是則是未來重點發(fā)展的一個熱門方向。

以往的數(shù)字正攝影像只能從垂直角度拍攝，而該技術(shù)徹底顛覆了這種拍攝角度的局限性。一般來說無人機傾斜攝影搭載至少5臺攝影相機：1個下視以及4個側(cè)視。這種組合方式的優(yōu)點就在于可以從不同的角度去采集數(shù)據(jù)，從而獲得更加完整的信息。通過算法重建地面的實景真三維模型，引入更加符合人眼視覺的真實直觀世界[7]。

無人機傾斜攝影技術(shù)主要優(yōu)點如下。

1)無人機傾斜攝影可以快速、高精度的反映研究區(qū)的真實狀況，相比于數(shù)字正攝影像，他可以從不同的角度去獲取數(shù)據(jù)，顯示效果更加真實、立體，從而極大彌補正攝影像應(yīng)用的狹隘性。

2)在測繪領(lǐng)域單張影像的快速測量，利用無人機傾斜攝影技術(shù)可以快速的實現(xiàn)。在傾斜攝影測量工作中，可以直接測量物體的角度、坡度、面積、長度、寬度、高度等各個方面，該項技術(shù)快速、并且精度高，極大的拓展了傾斜攝影測量技術(shù)在測繪和地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用。

3)無人機傾斜攝影技術(shù)可以對建筑物的立面和側(cè)面的紋理進行采集。以往城市三維建模工作，都是由人工采集紋理數(shù)據(jù)，再進行三維建模，這種作業(yè)方式效率低，成本高。無人機傾斜攝影技術(shù)可以應(yīng)用在三維建模領(lǐng)域，利用無人機航空攝影可以快速大面積成圖的優(yōu)點，以及對建筑物的立面和側(cè)面的紋理進行采集的方式，可以極大地提高三維建模效率并降低了其成本。

4)無人機傾斜攝影技術(shù)所收集的數(shù)據(jù)極易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并且數(shù)據(jù)量小。以往的傳統(tǒng)人工三維建模工作，往往因為數(shù)據(jù)量大，操作不方便。而傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)要小的多，這樣的話可以將獲取的數(shù)據(jù)快速進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，從而實現(xiàn)共享應(yīng)用。

5)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。無人機傾斜攝影技術(shù)既可以反映測區(qū)的真實地表情況，并且該技術(shù)包含過高精度的定位系統(tǒng)，在實際飛行中可以賦予成果數(shù)據(jù)高精度的空間地理信息，極大擴展了數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅僅是在測繪與地理信息行業(yè)，在其他相關(guān)行業(yè)也可以得到應(yīng)用。

基于以上優(yōu)點，隨著無人機傾斜攝影技術(shù)最近幾年的快速發(fā)展，該項技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)達地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國土勘查、城市建設(shè)、規(guī)劃等諸多行業(yè)。

2.2 無人機平臺介紹

多旋翼無人機相當(dāng)于橫列式直升機，是一種具有3個及以上旋翼軸的特殊無人駕駛直升機。多旋翼無人機通過每個軸上的電動機的轉(zhuǎn)動，帶動旋翼并產(chǎn)生升推動力。其通過改變不同旋翼之間的相對轉(zhuǎn)速，可改變單軸推進力的大小，從而控制飛行器的運行軌跡。他的旋翼的總距是固定的，不可變的。多旋翼無人機具有垂直起降和空中懸停直升機的優(yōu)良飛行性能，并且不需要機場。其飛行的姿態(tài)比較平穩(wěn)，飛行的高度較低，基于多旋翼無人機的傾斜攝影系統(tǒng)能夠快速的取得被拍攝物體的細節(jié)紋理及多角度的高清影像。在此基礎(chǔ)上進行的三維模型建模具有紋理清晰、相對關(guān)系準(zhǔn)確、測量精度高等特點，在一定程度上能夠滿足測量和模型制作的精度要求。

2.3 無人機傾斜攝影的三維建模

2.3.1 傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

該技術(shù)是基于影像的三維建模技術(shù)的一種，基于影像的三維建模技術(shù)大致步驟分為：①特征點提取與相對定向；②投影重建與相機標(biāo)定；③密集匹配；④重建三維模型。

其中，第1步從給定影像中自動檢測出可靠且充分密集的連接點，利用連接點對大量影像進行自動重定向；第2步根據(jù)重定向結(jié)果進行投影重建，標(biāo)定相機位置等信息；第3步通過CMVS(cluster multi-view stereo)、PMVS(patch-based multi-view stereo)等算法進行密集匹配；第4步從點云通過構(gòu)建三角網(wǎng)格模型得到目標(biāo)三維模型。

2.3.2 模型自動化生產(chǎn)

1)模型創(chuàng)建：標(biāo)定相機位置，重新建立投影關(guān)系完成后，將數(shù)據(jù)提交到Smart3D軟件進行自動進行影像拼接和模型創(chuàng)建。

2)特征檢測與自動匹配：Smart3Dcapture采用先進的旋轉(zhuǎn)、縮放不變性特征提取及匹配算子，并行高效的實現(xiàn)影像自動特征點檢測及匹配。

3)空三解算與點云重建：無需POS數(shù)據(jù)高效并行解算像片外參數(shù)及稀疏點云重建。在完成空三后，將傾斜攝影數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器，直接生產(chǎn)傾斜攝影模型，在此基礎(chǔ)上進行一定人工干預(yù)和修飾。

4)稠密點云生成：自動生成大場景稠密光學(xué)點云，精度高，完整性好。

5)重建散亂數(shù)據(jù)表面。

6)無縫映射紋理。

7)全自動勻光勻色。

8)真三維模型數(shù)據(jù)瓦片化。

將原始三維數(shù)據(jù)采用金字塔+四叉樹的策略切割成多級碎片文件，無縫的建立LOD節(jié)點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時瀏覽及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以O(shè)SGB格式輸出。

本研究采用的傳感器可以從前后左右以及垂直5個角度來進行數(shù)據(jù)的采集，直接測量物體的角度、坡度、面積、長度、寬度、高度等各個方面。從而得到所拍攝的物體最真實的三維形態(tài)，為三維建模提供了高分辨率、高精度的數(shù)據(jù)來源。目前，StreetFactory和Smart 3D Capture為目前國內(nèi)外傾斜攝影行業(yè)所應(yīng)用的主要處理軟件[8]。

2.3.3 研究結(jié)果與精度檢驗

根據(jù)測區(qū)實際情況，本研究采集了對于測區(qū)2 km2范圍內(nèi)的地物。在Smart 3D Capture軟件支持下，基于傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)運算系統(tǒng)，對采集后的數(shù)據(jù)進行計算機處理，最終完成了研究區(qū)的城市三維模型制作工作。

本研究中抽樣20個外業(yè)測量點，對于所抽樣的數(shù)據(jù)進行平面及高程精度驗證，驗證結(jié)果如表1所示。經(jīng)驗證，平面高程X精度為0.41 m，Y精度為0.39 m，高程精度為0.44 m，數(shù)據(jù)精度符合項目要求。

3 結(jié)論與討論

以往的城市三維建模采用的是3dsMax、SketchUp等。主要是基于地形圖、航拍影像、人工采集圖片或者是激光三維掃描等方式來進行人工手動建模。精度低、效率慢、模型容易失真、紋理變化大、生產(chǎn)成本高等種種缺點使得該方式無法滿足實際生產(chǎn)需要。

表1 三維建模精度測量 cm

在無人機傾斜攝影領(lǐng)域，由于其采集數(shù)據(jù)方式范圍廣、精度高、分辨率高等種種優(yōu)點，已經(jīng)在測繪領(lǐng)域廣泛開展應(yīng)用，并應(yīng)用于許多復(fù)雜城市場景，均取得了不錯的效果。并且該技術(shù)通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產(chǎn)效率，降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)成本代價，提高了作業(yè)時間?；谝陨蟽?yōu)點，隨著無人機傾斜攝影技術(shù)最近幾年的快速發(fā)展，該項技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)達地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國土、城市建設(shè)、規(guī)劃等諸多行業(yè)。

本研究為今后國內(nèi)外開展類似區(qū)域的城市三維模型制作提供了技術(shù)參考和依據(jù)。