薛 磊

（山西省測(cè)繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

數(shù)字化時(shí)代，人們對(duì)于構(gòu)建三維城市也更加關(guān)注。三維城市就是采用三維模型對(duì)城市的地上景觀進(jìn)行描述，屬于數(shù)字空間信息，也是城市信息表達(dá)過(guò)程中的關(guān)鍵載體，影響到城市的管理、規(guī)劃和建設(shè)等。三維城市當(dāng)前已經(jīng)在社會(huì)發(fā)展當(dāng)中展現(xiàn)了其優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)則很好地解決了這方面的問(wèn)題，可以將地理信息更全、更豐富地展現(xiàn)出來(lái)，促進(jìn)構(gòu)建三維城市模型所花費(fèi)的成本。也有不少學(xué)者研究了城市三維建模當(dāng)中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，比如，吳飛宇[1]認(rèn)為城市三維建模當(dāng)中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用可以幫助解決很多問(wèn)題，也是今后的重要應(yīng)用方向。武堅(jiān)等[2]分析城市社區(qū)三維建模實(shí)踐中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用。以上研究大多是以理論研究為主，而本次研究當(dāng)中將理論和實(shí)際案例結(jié)合起來(lái)，希望可以增強(qiáng)研究的實(shí)用性。

1.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

在地球空間信息學(xué)當(dāng)中，遙感學(xué)與攝影測(cè)量技術(shù)都是核心技術(shù)，國(guó)際攝影測(cè)量認(rèn)為攝影測(cè)量在其內(nèi)涵界定的過(guò)程中，將其認(rèn)定是非接觸城鄉(xiāng)系統(tǒng)，需要完成信息的記錄、測(cè)量和后續(xù)的分析表達(dá)環(huán)節(jié)，最終得到和地球建筑、環(huán)境以及各種實(shí)物相關(guān)的信息技術(shù)、工藝和科學(xué)等。數(shù)字化的航空攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建起的模型更加逼真，工作效率更高，處理更大規(guī)模場(chǎng)景和自動(dòng)化程度高。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)測(cè)量技術(shù)本身存在的問(wèn)題使得一些問(wèn)題難以有效解決，而傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在產(chǎn)生和廣泛應(yīng)用后很好地解決了這些問(wèn)題。比如，五目相機(jī)借助于航天和航空搭載平臺(tái)，來(lái)完成攝影，可以得到四個(gè)斜視影像和1個(gè)下視影像，這些影像圖之間還存在著固定的位置關(guān)系。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合了GNSS技術(shù)，可以在城市地理信息框架當(dāng)中納入三維城市，給大家提供更豐富更全面的地理信息，技術(shù)特點(diǎn)（如表1所示）：

表1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要特點(diǎn)

2.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維模型過(guò)程分析

2.1 構(gòu)建三維模型整體流程

傳統(tǒng)的影像匹配算法無(wú)法開(kāi)展傾角大和尺度更多的傾斜攝影[3]。在這些年以來(lái)，在影像匹配算法不斷發(fā)展的過(guò)程中，SURF以及SIFT技術(shù)等都得到了進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展，對(duì)于多角度、多尺度等的傾斜攝影也有了更多的獲取途徑，得到更好的效果。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方法來(lái)構(gòu)建城市的三維模型，主要流程（如圖1所示）：

圖1 傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建城市三維模型整體流程

2.2 三維模型構(gòu)建具體流程

在明確城市三維模型構(gòu)件中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的整個(gè)流程后，需要對(duì)每個(gè)具體過(guò)程的情況進(jìn)行詳細(xì)分析。具體步驟（如表2所示）：

表2 傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建城市三維模型具體流程

3.無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維模型的畸變?cè)蚝蛢?yōu)化方法

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維模型產(chǎn)生畸變的原因

在實(shí)際構(gòu)建城市三維模型過(guò)程當(dāng)中，因?yàn)槭艿礁鞣N元素的影響，導(dǎo)致實(shí)際構(gòu)建出的模型會(huì)產(chǎn)生一定的錯(cuò)誤和畸變情況，讓人們出現(xiàn)應(yīng)用方面的障礙和視覺(jué)層面的誤差[4]。主要畸變?cè)颍ㄈ绫?所示）：

表3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維模型畸變?cè)?/p>

3.2 優(yōu)化無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維模型的方法

由于構(gòu)建起的模型會(huì)出現(xiàn)不同情況的畸形，必須要采取措施開(kāi)展積極改進(jìn)。（1）幾何修復(fù)方法。破洞問(wèn)題及時(shí)修補(bǔ)，磨平凸包還原，刪除飛面碎部；（2）細(xì)部整飾工作。可以直接進(jìn)行整飾或者是直接替換掉重要的地物以及標(biāo)志物等；（3）紋理修補(bǔ)。針對(duì)清晰度以及不均勻的紋理進(jìn)行修補(bǔ)。

幾何修復(fù)工作在曲面平滑以及紋理映射的過(guò)程中貫穿始終，如何在幾何修復(fù)過(guò)程中加快紋理提取的速度，也是當(dāng)前傾斜影像技術(shù)中比較關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題。

采用這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是以比較快的速度來(lái)自動(dòng)獲取紋理，幫助節(jié)約了很多的時(shí)間。系統(tǒng)還允許小傾斜影像的紋理提取和映射，穿刺對(duì)比多張影像等。采用拉伸等方法開(kāi)展三維模型實(shí)體實(shí)時(shí)制作，得到相關(guān)自動(dòng)貼圖，最終也能夠得到三維場(chǎng)景的模型圖。

4.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用現(xiàn)狀和案例分析

4.1 城市三維建模中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

4.1.1 城市規(guī)劃選址中的應(yīng)用

城市的規(guī)劃和選址過(guò)程中也會(huì)使用到無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以讓用戶借助于系統(tǒng)提供人機(jī)對(duì)話工具，提供虛擬環(huán)境物體交互操作，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境當(dāng)中可以融入規(guī)劃環(huán)境，最終讓規(guī)劃成果達(dá)到可視化的目標(biāo)。采用傾斜攝影能夠得到傾斜三維數(shù)據(jù)模型以及高分正射影像數(shù)據(jù)等，這就為城市觀察提供了微觀和宏觀不同層面的研究對(duì)象，便于在開(kāi)展總體規(guī)劃的同時(shí)，更好地觀察到城市當(dāng)中的每個(gè)細(xì)節(jié)，方便對(duì)周邊的詳細(xì)環(huán)境開(kāi)展研究分析，通過(guò)和規(guī)劃數(shù)據(jù)相互融合，讓周邊環(huán)境和規(guī)劃內(nèi)容之間的融合程度更加密切。

4.1.2 對(duì)比城市規(guī)劃不同方案

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量能夠得到城市或者是一些重點(diǎn)區(qū)域不同角度的分辨率比較高的遙感影像，然后再自動(dòng)生成實(shí)景的城市三維模型[5]。還可以和三維地理信息平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，從更加直觀的方式來(lái)對(duì)比城市當(dāng)中一些建筑物的規(guī)劃情況，為一些重點(diǎn)建筑物選擇更加合適的規(guī)劃，提供更多方案（如圖2所示）：

圖2 城市規(guī)劃方案選擇中的應(yīng)用

4.1.3 城市具體建設(shè)中的應(yīng)用

可以借助于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)得到城市當(dāng)前實(shí)際發(fā)展情況的一些數(shù)據(jù)，也是一種比較基礎(chǔ)的圖件。一方面，可以為城市編寫城市發(fā)展總體規(guī)劃，控制性的詳細(xì)方案提供具體的資料依據(jù)，減少現(xiàn)狀調(diào)查過(guò)程中的盲目性；另一方面，也可以為城市的規(guī)劃提供專業(yè)的信息調(diào)查資料。

除此之外，在城市的管理中也能應(yīng)用到這一技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)受到人為因素干擾，成果內(nèi)容信息比較豐富可以為政府部門迅速判斷是否出現(xiàn)違規(guī)用地、違章建筑等提供全面的一手資料，讓管理內(nèi)容變得更加有理有據(jù)。比如，在調(diào)查違章建筑過(guò)程中，就會(huì)疊加顯示分析合法數(shù)據(jù)和傾斜攝影所得到的成果數(shù)據(jù)，這樣就能夠得到違章建筑的情況。藍(lán)色棚房在合法歷史的矢量數(shù)據(jù)當(dāng)中并沒(méi)有這一相關(guān)建筑，就可以將其標(biāo)注為違章建筑，再到現(xiàn)場(chǎng)去實(shí)際查驗(yàn)，是否屬于違章建筑（如圖3所示）：

圖3 城市違章建筑檢查作用

4.2 采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建城市三維場(chǎng)景的實(shí)例分析

研究中使用到多旋翼無(wú)人機(jī)搭載當(dāng)前的單目自由旋轉(zhuǎn)相繼低空自由拍攝山西某村，使用“海芯”傾斜攝影無(wú)人機(jī)，采用相機(jī)傾斜攝影的方式獲取多視角影像，飛行高度80m，共計(jì)飛行4個(gè)架次，分辨率優(yōu)于3cm。最終得到了675張不同視角的影像以及對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)，得到若干數(shù)量的像控點(diǎn)地理空間坐標(biāo)和相機(jī)的相關(guān)參數(shù)信息。該平臺(tái)集量測(cè)、建模、紋理自動(dòng)獲取、紋理映射、三維模型快速編輯等功能于一體，提供了一種實(shí)用的、快捷高效的半自動(dòng)城市建模方案，避免了基于超高密度點(diǎn)云匹配生成DSM的三維建模方法存在的數(shù)據(jù)量大等問(wèn)題。

4.2.1 處理原始數(shù)據(jù)

使用到的處理軟件主要有Smart3D軟件，PS軟件，Street Factory軟件，還有國(guó)內(nèi)的DP-smart軟件。研究中同時(shí)還應(yīng)用到了Pix4D軟件，處理傾斜攝影，獲得多視角影像等原始數(shù)據(jù)，建立起三維模型。在調(diào)整與統(tǒng)一了控制點(diǎn)坐標(biāo)信息以及POS數(shù)據(jù)后，需要把這些數(shù)據(jù)資料納入到Pix4D軟件當(dāng)中開(kāi)展自動(dòng)化處理。采用這一軟件完成三維重建的過(guò)程（如表4所示）：

表4 Pix4D軟件三維重建傾斜影像過(guò)程

4.2.2 建模過(guò)程

該過(guò)程包括地面建模和建筑物建模。地面建模采用將數(shù)字高程模型DEM構(gòu)成TIN，然后疊加DOM生成。建筑物建模采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的基于3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模平臺(tái)。該平臺(tái)將建筑物根據(jù)屋頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，將建筑物分為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑。

4.2.3 軟件處理結(jié)果

最終得到的影像圖片類型有兩種，真實(shí)紋理以及密集點(diǎn)云圖片，再按照點(diǎn)云的情況構(gòu)建起三角網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景模型的紋理影像構(gòu)建。這也是本次研究當(dāng)中所涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。真實(shí)紋理三維場(chǎng)景模型圖（如圖4所示）：

圖4 真實(shí)紋理三維場(chǎng)景模型圖

4.2.4 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和分析

在開(kāi)展系列的處理工作之后，得到了不同格式的文件，具體的文件名稱和格式類型（如表5所示）：

表5 文件名稱和格式類型

Obj本身就屬于標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)且適用范圍十分廣泛的文件格式，所得到的三維場(chǎng)景模型文件的適用范圍十分廣泛。本次研究當(dāng)中就得到了場(chǎng)景紋理映射圖，另外，也有漂移中心相關(guān)文件，避免具體計(jì)算當(dāng)中得到的坐標(biāo)實(shí)際值過(guò)大，讓復(fù)雜程度明顯增加。研究中所應(yīng)用的軟件也增加了漂移中心。而在本次研究當(dāng)中所得到漂移和三維模型點(diǎn)文件坐標(biāo)，再將這些坐標(biāo)相加之后，就可以得到模型點(diǎn)的實(shí)際情況了。

4.2.5 研究結(jié)論

基于傾斜攝影技術(shù)和3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模平臺(tái)完成區(qū)域的三維建模，實(shí)現(xiàn)了具有真實(shí)感三維場(chǎng)景的快速構(gòu)建，能與傳統(tǒng)航測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝有機(jī)融合，從而延伸傳統(tǒng)航測(cè)產(chǎn)品線。

5.結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展推動(dòng)了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的普及，基于這一技術(shù)所構(gòu)建起的三維模型圖，采用的相關(guān)技術(shù)整體比較先進(jìn)，應(yīng)用范圍廣泛。在城市三維建模過(guò)程當(dāng)中引入這一技術(shù)，可以幫助選擇更合適的城市規(guī)劃方案，幫助城市違章建筑管理等。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感攝影技術(shù)所存在的一些弊端，得到更加全面詳細(xì)的影像數(shù)據(jù)資料，提供更準(zhǔn)確的材料依據(jù)。在本次研究當(dāng)中也通過(guò)引入無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，明確了此種技術(shù)的優(yōu)越性。在今后的應(yīng)用當(dāng)中也需要結(jié)合具體建模的類型，完成針對(duì)性的測(cè)量和采集，這樣能夠讓建模效率不斷提升，減少建模工人的工作量。