達建興

（核工業(yè)華東二六七工程勘察院，江西 九江 332000）

引言

無人機科技、計算機視覺、相機等呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢，攝影測量技術(shù)也逐漸成熟，應(yīng)用范圍比較廣泛[1]。因此，分析無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，可以通過三維建模的方式，對城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、信息化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)無人機傾斜航空攝影精度提升。隨著智慧城市、數(shù)字城市的快速發(fā)展，利用三維激光掃描技術(shù)，可以獲得三維模型，而且，三維模型的計算精度比較高，但是，適用范圍比較小，極容易出現(xiàn)測量精度不足的情況。為解決這一問題，利用ContextCapture 軟件，通過無人機傾斜航空攝影獲得影像數(shù)據(jù)，并對實景進行三維建模分析。在三維建模分析的過程中，可以對測區(qū)進行提取，并解決密集匹配點云結(jié)果不準確的問題。利用用戶添加連接點的方式，對三維建模過程進行優(yōu)化，提高無人機傾斜航空攝影測量水平[2]。

一、無人機傾斜航空攝影技術(shù)分析

無人機傾斜航空攝影技術(shù)是利用航測系統(tǒng)，對場景影像、IMU、GPS 信息數(shù)據(jù)等進行獲取，并通過無人機、攝影鏡頭、IMU 慣性測量單元、GPS 模塊等影像傳感器進行設(shè)計，通過場景數(shù)據(jù)采集與處理，可對IMU 慣性測量單元、GPS 模塊等，對關(guān)注影像的空間位置、物體形態(tài)等進行識別與標記[3]。與此同時，可通過對無人機的航行速度、高度、傾角、相片旋角等相關(guān)數(shù)據(jù)管理與處理，完成多組場景重疊影像。利用自動識別技術(shù)，可對場景影像進行模型計算，獲得影像數(shù)據(jù)。無人機傾斜航空攝影測量過程中，可通過共線方程與空間后方交會，對平面坐標進行確定，構(gòu)建輔助坐標系，從而實現(xiàn)影像成像的處理效果提升。其表達公式如下：

x、y 可以對平面坐標進行分析與處理，并建立空間坐標，對三個空間輔助坐標系之間的關(guān)系進行檢驗與處理，可對影像成像的主距進行優(yōu)化，滿足影像計算與綜合處理的綜合需求。無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)在實際應(yīng)用中，可通過數(shù)據(jù)采集以及外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)處理等方式進行處理。外業(yè)采集是通過實地考察的方式，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與整理，內(nèi)業(yè)采集則是通過整理數(shù)據(jù)信息，并建立內(nèi)業(yè)資料庫。在本次研究中，利用電子地圖劃分航拍的區(qū)域，并利用無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)，對IMU/DGPS 數(shù)據(jù)進行采集，并對三角測量的精度進行分析，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Smart3D 中，從而建立三維數(shù)字模型[4]。

Smart3D在對數(shù)據(jù)信息進行處理的過程中，可以對數(shù)據(jù)缺陷進行分析與處理，并構(gòu)建多試影像三維數(shù)據(jù)，對獲取的影像數(shù)據(jù)進行單元網(wǎng)絡(luò)劃分，并利用像方信息與物方信息的多影像匹配算法，對不同數(shù)據(jù)信息進行特征提取[5]。參考影像可利用自適應(yīng)特征點最優(yōu)分組匹配算法對場景坐標進行密集匹配，例如，在對的遮擋數(shù)據(jù)區(qū)域進行處理中，可以通過多視傾斜數(shù)據(jù)中的冗余信息進行處理，并對密集匹配所產(chǎn)生的影像進行分析，可利用CPU、GPU 的調(diào)用與加速，完成呢過數(shù)據(jù)運算，并提高信息軟件的整體運算速率，獲得不同影像的像方坐標，空間前方交會策略的應(yīng)用，可建立地面三維高密度點云數(shù)據(jù)。為對不同比例下的三維模型結(jié)構(gòu)屬性進行分析，可建立不同層次的多精度三角網(wǎng)，對區(qū)域點云數(shù)據(jù)進行分割與處理，并對連續(xù)性變化的邊緣區(qū)域數(shù)據(jù)進行計算，達到邊緣區(qū)域三角網(wǎng)優(yōu)化的目的，并獲得精確的三維重構(gòu)模型[6]。

二、三維建模分析

無人機傾斜航空攝影測量中，因為無人機的飛行高度比較低，所以，可以獲得高分辨率的影像，多角度相機組合可以無死角拍攝，冰火地物頂面、側(cè)面的信息。傾斜攝影測量的成本比較低，可以通過無人機進行作業(yè)，可縮短工作周期。三維建模自動化的程度比較高，模型精度可以滿足測繪要求。無人機傾斜航空攝影的三維建模分析，按照密集匹配點云、生成不規(guī)則三角網(wǎng)、自動紋理映射的流程進行處理，并對傾斜影像、POS 數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)進行采集，進行數(shù)據(jù)傳輸后，對數(shù)據(jù)信息進行預(yù)處理，相片刺點，建立空中三角測量，匹配點云數(shù)據(jù)，自動進行紋理映射，完成三維模型建設(shè)[7]。

三、無人機傾斜航空攝影在三維建模中的應(yīng)用分析

（一）數(shù)據(jù)獲取

以某地區(qū)為研究對象，坐標系為2000 國家大地坐標系。無人機飛行前要做好準備工作，包含飛行范圍、設(shè)計航線、布設(shè)像控點、像控點測量等內(nèi)容。選擇零度智控ZT-3VS 無人機為主要設(shè)備，傾斜相機為SONY ILCE-5100，影像尺寸的像素為6000×4000，焦距為35mm，傳感器的規(guī)格是23.5×16.5mm，無人機為垂直起降固定翼無人機，航高為168m，航向的重疊度為80%，旁向重疊度為75%。實際應(yīng)用中，拍攝五組影像數(shù)據(jù)，可生成8045 張影像。像控點實測可利用連續(xù)運行衛(wèi)星定位測量綜合服務(wù)系統(tǒng)連續(xù)運行參考站進行坐標測量，并對現(xiàn)場測量時控制點位置的照片[8]。

（二）數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維建模的平臺是通過Benrley 公司的實景建模軟件ContextCapture，具有集群運算處理功能，可以利用多臺計算機進行作業(yè)。在獲取原始數(shù)據(jù)后，可對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，處理的數(shù)據(jù)包含控制點數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等。其中，控制點數(shù)據(jù)是指浮動解進行檢查，并重復(fù)分析觀測數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)可以記錄位置信息，通過信息轉(zhuǎn)換，將大地坐標系轉(zhuǎn)換為CGCS2000 坐標。傾斜影像攝影過程會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，一個架次總影像的數(shù)量為一萬張，影像的名稱以DSC 開頭，例如，DSC00001，在達到最大編號后，可以重新開始編號。如果對其不盡興重新命名，可以導(dǎo)入影像組數(shù)據(jù)后，對影像名稱進行修改，采用添加字母加數(shù)字的方式進行組合。

（三）空中三角測量

攝影測量空三加密是通過若干均勻分布在區(qū)域內(nèi)設(shè)置控制點，利用立體測圖技術(shù)，獲得機密點的高程與平面位置?？杖鳂I(yè)中，可以從測區(qū)提取、用戶連接點添加的方式進行處理。測區(qū)提取中，將影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、相機參數(shù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并對測量區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進行提取。完整的POS 數(shù)據(jù)提取，可對區(qū)域影像進行分析，并通過相片的位置數(shù)據(jù)處理，獲得區(qū)域相片。首先，導(dǎo)出測區(qū)的KML 文件，將其倒入到Arcgis 中，在轉(zhuǎn)換為shp 文件后，可以利用ArcGIS 對其進行分析。選擇目標區(qū)域后，將選擇好的區(qū)域影像倒入到Google earth 中，并對區(qū)域位置進行導(dǎo)出處理，最后進行影像提取。用戶連接點的添加是在空中三角測量結(jié)束后，查看空三質(zhì)量報告，可以在CC 中的3Dview 中分析密集匹配點云的結(jié)果。在部分場景中，紋理偏弱，無法進行匹配，會出現(xiàn)升起、下降的相片，這一類的相片并沒有參與到計算中，在Photos 面板下，可以對相片進行計算。添加用戶連接點，可以對空中三角測量進行調(diào)解，選擇上升或下降的相片，在Surveys 面板下添加用戶連接點，在相片中，可尋找標志性的地物，地物的選擇需要具有明顯的不易移動特征。升起以及下降部分會是一個方向的相片，并對相片與用戶連接點刺點進行處理，提高連接點的有效性。考慮到可以對影像數(shù)據(jù)進行重新編輯，所以，可以區(qū)分五視方向，每個方向可以保留五張相片刺點，在一定程度上可以節(jié)省時間，而且，用戶連接點不需要過密，均勻分布在升起、下降的區(qū)域中。用戶連接點完成處理后，重新對空中三角測量數(shù)據(jù)進行提交，查看密集匹配點云結(jié)果。

（四）建模分析處理

完成空中三角測量的相關(guān)任務(wù)后，提交三維建模進行生產(chǎn)。無人機傾斜航空攝影測量中，通過影像匹配獲取密集匹配點云，匹配的三維點云可以生成不規(guī)則的三角網(wǎng)。將TIN 模型的三角面片與對應(yīng)的紋理影像自動映射處理，獲得有效的三維模型。在提交三維建模后，結(jié)合自身計算機的實際情況，根據(jù)影像任務(wù)，計算最大隨機存取存儲器的使用量，通過調(diào)整瓦片的大小，對其進行分塊瓦片，確保計算機的正常操作。提交生產(chǎn)后，選擇生產(chǎn)模型的格式，并選擇坐標系統(tǒng)，并對三維模型進行計算與量化。

（五）三維模型修飾

無人機傾斜航空攝影測量與分析中，影像虎丘方面會出現(xiàn)死角、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)點不足的情況，導(dǎo)致三維模型匹配過程中，出現(xiàn)扭曲變形、模糊不清的情況，對遙感影像處理與分析等會產(chǎn)生直接的影響。例如，路燈、旗桿、廣告牌等出現(xiàn)特征點模糊的情況。由于匹配截面比較小，無法產(chǎn)生有效的特征點，會出現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)缺失的情況。因此，三維模型的修飾與處理，可對三維模型進行編輯加工，并對三維模型進行分塊，對模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出與模型修飾軟件的應(yīng)用等進行處理，從而實現(xiàn)三維模型的編輯加工處理水平提升。三維模型的修飾可以刪除懸浮物，補充影像空洞位置。針對不平整的路面，可以進行平滑、擬合處理，達到平整的狀態(tài)。對建筑物的影像進行處理中，可通過單體化重建，對映射實景紋理進行分析與處理，實現(xiàn)無人機傾斜航空攝影測量精度的進一步提升。

（六）三維建模的精度分析

無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)的精度對實測景觀會產(chǎn)生直接的影響，所以，通過無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，可以對測量空間進行三維重建與處理，并提高計算機之間的負載連接與數(shù)據(jù)分析水平。通過空間區(qū)域的三維建模分析，可將無人機傾斜航空攝影與自動化技術(shù)聯(lián)系到一起，搭建集成化三維模型?？臻g區(qū)域內(nèi)的三維模型，為三維信息化建設(shè)的數(shù)據(jù)采集提供成本較低、效率較高的解決方案。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該方案生成的三維模型將越來越完善。

打開S3C 索引文件的三維建模，利用無人機傾斜航空攝影測量功能，通過多次量測的方式，對平均值進行計算，獲得模型點的坐標，結(jié)合模型坐標點與現(xiàn)實實際測量的坐標值進行對比。在本次的精度評價與分析中，K001 的模型坐標為-2.1cm，實際的平均值為-3.9cm。K002 的模型平均值為0.4cm，實際的平均值為1.3cm。K003 的模型精度為0.7cm，實測精度為-0.4cm。在對精度誤差進行計算與分析中，可以對X、Y 坐標的誤差進行計算，X 的誤差為1.5cm，Y 軸的誤差為2.3cm，點位中的誤差為2.7cm。從上述精度評估的角度進行分析，本次的三維模型精度比較高，可以應(yīng)用到大比例尺地形圖測繪、立面測量、國土空間規(guī)劃中。

結(jié)論：無人機傾斜航空攝影技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用，可以對實景進行測繪，并實現(xiàn)遙感影像的數(shù)據(jù)分析與處理。無人機傾斜航空攝影三維建模模型在實際應(yīng)用中，其中包含數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、空中三角測量等操作流程，確定測區(qū)后，可對空中三角網(wǎng)格進行測量，結(jié)束測量后，對密集匹配點云出現(xiàn)的問題，利用用戶連接點添加的方式，提高空三結(jié)果的精度。三維模型可以實現(xiàn)自動化處理，并對影像紋理、拉花、建筑物扭曲等現(xiàn)象進行處理，可通過模型優(yōu)化，實現(xiàn)無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)的實際應(yīng)用效果提升。