宋福杰

（易景環(huán)境科技（天津）股份有限公司，天津 300000）

無人機傾斜攝影測量技術(shù)作為當(dāng)今工程建設(shè)中先進的測繪建模技術(shù)，其在城市建設(shè)中的應(yīng)用，使得項目測量精度與測量效率大大提升，而且影像質(zhì)量比較高，逐漸成為當(dāng)前測繪工作的關(guān)鍵方式，受到測繪人員的高度認可，應(yīng)該推廣利用促進該技術(shù)的完善，不斷推進我國測繪事業(yè)發(fā)展[1]。

1 概述

傾斜攝影測量技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的技術(shù)結(jié)晶，由于其在精度以及效率方面優(yōu)勢突出，被當(dāng)今社會生產(chǎn)建設(shè)的許多領(lǐng)域廣泛利用。相較于傳統(tǒng)測量技術(shù)的不同，傾斜攝影測量主要就是在無人機設(shè)備上安裝數(shù)據(jù)采集攝像頭及探測傳感器，對外形復(fù)雜的目標進行外觀掃描及數(shù)據(jù)信息采集分析。但隨著無人機技術(shù)的發(fā)展與信息技術(shù)的進步，使得無人機遙感技術(shù)與前傾斜攝影測量技術(shù)可以更完美的結(jié)合并應(yīng)付更復(fù)雜的情況，使應(yīng)用范圍更大，對復(fù)雜情況的適應(yīng)能力更強，在測量精準度方面提升效果非常明顯。

2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)介紹

無人機傾斜攝影測量主要是通過無人機遙感技術(shù)與傾斜攝影測量兩種技術(shù)來實現(xiàn)。

2.1 無人機遙感技術(shù)

即通過無線電操控安裝有拍攝設(shè)備的無人機，按照預(yù)定任務(wù)航線航行拍攝測量目標，快速大量的獲取目標物的表面數(shù)據(jù)信息，同時將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備進行分析處理、建立模型，在現(xiàn)代測量領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

2.2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)利用裝有多鏡頭高清相機的飛行設(shè)備對測量區(qū)域的各個攝點從 5 個方向(垂直、前視、后視、左視、右視)進行影像研究，并生成三維實景模型，能夠直觀的對拍攝目標的平面位置、外形狀態(tài)、立面、側(cè)面、橫斷面、地形起伏等進行詳細描述及研究，大大提高了傳統(tǒng)攝影測量的豐富性。傾斜攝影測量的影像數(shù)據(jù)可以比較直觀的呈現(xiàn)測量目標的外表實際情況，還能夠與GPS定位技術(shù)靈活結(jié)合使用，將所測量項目的地理及屬性信息在影像中進行標注體現(xiàn)，給用戶更豐富的使用體驗，使該技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。

2.3 無人機傾斜攝影測量的特點

（1）反映地物實際情況并且能對地物進行量測。通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行測量作業(yè)可以得到目標外觀的三維數(shù)據(jù)信息，這些三維數(shù)據(jù)能夠更真實的反映目標，與傳統(tǒng)制作的模型相比較真實感更高。

（2）效率高、成本低。無人機傾斜攝影測量技術(shù)能夠在作業(yè)中快速自動化的進行三維建模，大大縮減工作周期，提高建模效率，有效降低成本[2-4]。

3 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機主要是利用無線電遙控裝置，通過計算機進行的操縱航空器，在無人機上，裝置自動駕駛儀，可以獨立完成導(dǎo)航工作。高分辨率多視角航空攝影儀，是進行遙感的載體，將多個傳感器綜合構(gòu)成無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)，能夠敏捷的獲得高分辨率的遙感影像,同時利用傾斜攝影測量技術(shù)，完成模型的三維可視化。無人機傾斜攝影測與 POS 定位系統(tǒng)結(jié)合，更加自動與智能。在國土、環(huán)境等地理空間的數(shù)據(jù)采集上具有十分重要的意義。另外它還具有 GPS 差分等技術(shù)，此項技術(shù)可以獲取到具體影像對象的地理位置信息，在一定程度上擴大了影像數(shù)據(jù)源信息，而且大量的航攝影像進行疊加，非常有利于高精度的影像匹配，實現(xiàn)了在人工智能基礎(chǔ)之上的三維實體。以不同的層面進行對技術(shù)與紋理映射技術(shù)的展示，是傾斜攝影所具備的主要技術(shù)，在很大程度上完善了建模的工作，并且減少了一部分的建模成本。

4 無人機傾斜攝影測量三維建模關(guān)鍵技術(shù)

通過攝影測量方式得到的航攝像片，在后期整理的過程中，在野外布設(shè)相對應(yīng)的像控點，以此為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，測量出這些點的大地坐標，把刺點位置進行一一標記，保障空三加密工作的順利進行。將野外測得的相控點與航測系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)結(jié)合，通過影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差等技術(shù)處理獲取影像高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)與加密點的空間坐標信息。像片控制點要嚴格注意其布設(shè)時的方位，以及進行布設(shè)時的精度值，這些都屬于關(guān)鍵部分。利用傾斜影像數(shù)據(jù)的特點，通過多視密集匹配算法采用傾斜攝影測量產(chǎn)生的最后的數(shù)據(jù)，得到傾斜攝影測量進行三維模型的主要部分。影像數(shù)據(jù)處理流程主要包括：影像獲取、外業(yè)控制點布設(shè)、外業(yè)控制點測量、像點量測、區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配、最終生成產(chǎn)品成果等幾個方面。

4.1 像片控制點相關(guān)布設(shè)方案

像控點布設(shè)采取非全野外布點方式，僅僅布設(shè)少許的控制點。

（1）航帶網(wǎng)法布點。航帶網(wǎng)法進行布設(shè)像控點的過程中，主要的方案是六點法。六點法作為最標準的布點方法，是航帶網(wǎng)布點方案中經(jīng)常被采取的方式。在區(qū)域網(wǎng)的規(guī)定局限里圖像不大于十六張時，采取六點法進行布設(shè)平高點的工作。其次還有八點法、五點法。其中，八點法是在每個航帶里面布設(shè)出八個平高控制點。它要求區(qū)域網(wǎng)范圍里面的圖像要大于十六并且不超過四十八幅。而當(dāng)一條航帶的長度為最長航帶網(wǎng)的百分之六十左右時，采取五點法。

（2）區(qū)域網(wǎng)法布點。在區(qū)域網(wǎng)進行平差的過程中，當(dāng)出現(xiàn)某像對基線跨入附近控制點連線大于半數(shù)時，就將其視為一個像對。如圖 1。

圖1 區(qū)域網(wǎng)法布點圖（○是平高點，×是高程點）

4.2 外業(yè)控制點的施測

在將要開始外業(yè)控制點的量測工作時，要提前做好一系列的整理工作，通過空三加密平差的結(jié)果，進一步獲取測區(qū)的全景影像圖，這對后期的外業(yè)像片控制點的布設(shè)與測量工作有著重要的意義。

4.3 多視影像聯(lián)合平差

通過多層次、多條件約束的方法獲得多視影像的同名點，保證同名點的誤匹配率在一定的范圍，利用區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)完成影像姿態(tài)數(shù)據(jù)與加密點數(shù)據(jù)的計算。多視影像聯(lián)合平差作為傾斜影像整理階段的重要環(huán)節(jié)，因為多視影像分別為垂直影像傾斜影像，多視影像聯(lián)合平差兼?zhèn)淞藢τ跋裰谐霈F(xiàn)的變形和遮擋的情況的處理，但大多數(shù)傳統(tǒng)的空三加密方式并沒有這種特征。一般的多視影像聯(lián)合平差方式是先通過 SIFT 特征提取算法，完成影像的特征提取工作。如圖2。

圖2 SIFT 算法步驟示意圖

4.4 多視影像密集匹配

在完成上述工作后，基本上已經(jīng)完成密集匹配的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，接下來就是影像的匹配工作。影像匹配工作作為攝影測量的一個關(guān)鍵，因為無法通過單一元素就可以成功的進行匹配，因此，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的國內(nèi)外學(xué)者在進一步探究計算機視覺上的多基元以及多視影像密集的匹配方式。

4.5 產(chǎn)品成果生成

利用多視影像密集匹配，可以得到更為完善的DSM,需要得到的信息都可以展現(xiàn)出來，這種技術(shù)目前是新型空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的主要技術(shù)。將得到的DSM 數(shù)據(jù)采用波形處理，整合出有著真實觀感的數(shù)字表面模型的數(shù)據(jù)，通過歸一處理，以及一些增強處理，進而產(chǎn)生三位數(shù)字模型的雛形，再采取模型編輯軟件進行處理，就基本產(chǎn)生了逼真的三維模型，最后進行驗收檢驗，同時輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)與文件，生成產(chǎn)品成果。

5 基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模方法研究

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

通常情況下，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行三維城市建模時，需要注意一點，即在實際的測量中，由于一些不可確定因素的影響，例如，無人機設(shè)備的性能、大氣環(huán)境以及處理軟件的功能等，會導(dǎo)致實際的模型建立出現(xiàn)一些錯誤，最終影響后續(xù)工作，主要原因如下：

（1）無人機姿態(tài)變化以及飛行線路的影響，導(dǎo)致影像在重疊度和幾何畸變方面受到影響，出現(xiàn)模型畸形的嚴重問題。

（2）大氣環(huán)境有時存在不可預(yù)測性，例如，大氣噪聲引起三維模型出現(xiàn)飛面和凸包等問題。

（3）光照的影響，由于不同時段的光照強度不同，導(dǎo)致模型的紋理出現(xiàn)不均勻的問題。以上這些問題都是十分復(fù)雜和多變的，也是當(dāng)下無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用中所存在的局限性問題，還需要加大研究力度，有效提高三維建模的水平和質(zhì)量。

5.2 優(yōu)化方法

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維建模存在諸多的畸變和錯誤問題，這些問題的存在導(dǎo)致實際的測量精度受到影響，不利于后續(xù)規(guī)劃工作的有序進行。為了有效解決這些問題，需要對三維建模方法進行優(yōu)化處理，關(guān)鍵點包括：

（1）幾何修復(fù)。對模型中的破洞問題進行修補，對凸包問題進行抹平和還原，對飛面問題進行刪除等，以此提高建模質(zhì)量和精度。

（2）紋理修補。對光照影響下三維模型中出現(xiàn)的不均勻紋理問題，需要進行替換和修補，以確保紋理足夠清晰。

5.3 三維建模實踐分析

結(jié)合傳統(tǒng)建模的優(yōu)點和成熟技術(shù)，對無人機傾斜攝影三維成果模型中需要改進的地物目標或區(qū)域進行二次處理。開發(fā)一套模型輔助編輯系統(tǒng)，導(dǎo)入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據(jù)空三技術(shù)和空三加密成果的特點，利用空三加密成果，初始模型缺陷明顯的目標和區(qū)域進行幾何修復(fù)和紋理修補工作。編輯系統(tǒng)的核心功能有三維模型同名點搜索、空三影像紋理自動提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數(shù)據(jù)為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點，進行模型紋理提取和定向建模。在空三后影像上繪制地物目標的結(jié)構(gòu)線，通過拉伸等方法實時制作三維模型實體并自動貼圖，形成場景三維模型。

6 結(jié)語

傾斜攝影測量作為一項新技術(shù)，將多臺類同類別的傳感器同時在單個載體上裝置，能夠進行完善、彌補傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)僅在單個角度得到地面影像的不足之處，可以獲得垂直以及多個傾斜角度的影像數(shù)據(jù)工作，很大程度上避免了正射影像無法真實提供地表情況的不足。同時利用機載 POS 數(shù)據(jù)和數(shù)字表面模型等，完成傾斜攝影基礎(chǔ)之上的三維建模。