王勝軍，張 強(qiáng)，趙明嶺，隋建春，高明友

（1.濟(jì)南市土地征收和綜合整治服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250099；2.濟(jì)南市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展服務(wù)中心消防驗(yàn)收服務(wù)部，山東 濟(jì)南 250099；3.濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)自然資源局，山東 濟(jì)南 251400；4.杭州今奧信息科技股份有限公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101；5.濟(jì)南市土地儲(chǔ)備中心，山東 濟(jì)南 250099）

近年來，隨著智能制造與人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)以大疆無(wú)人機(jī)為代表的無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，并在國(guó)土資源管理、房產(chǎn)稅收、人口統(tǒng)計(jì)、數(shù)字城市、城市管理、應(yīng)急指揮、災(zāi)害評(píng)估和環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。無(wú)人機(jī)控制技術(shù)、數(shù)碼航攝技術(shù)及影像處理技術(shù)的不斷成熟，有效克服了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的技術(shù)困難，成功解決了傳統(tǒng)測(cè)繪勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的問題，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)成為繼全站儀、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位）后新一代的測(cè)繪技術(shù)裝備?；跓o(wú)人機(jī)航測(cè)及傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的4D 產(chǎn)品[1]和實(shí)景三維模型[2]已被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。本文結(jié)合無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，探討無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模中的應(yīng)用。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)主要包括飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、傳感器、高分辨相機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)等，以影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)像點(diǎn)的選取和采集，形成定位數(shù)據(jù)和定位信息，實(shí)現(xiàn)影像的自動(dòng)匹配[3]。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量過程中，首先要根據(jù)實(shí)際工作的需要選擇合適的無(wú)人機(jī)種類及多鏡頭數(shù)碼相機(jī)，合理進(jìn)行無(wú)人機(jī)攝影路線規(guī)劃設(shè)計(jì)，航測(cè)前做好無(wú)人機(jī)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)勘查；其次在航測(cè)過程中，選擇合理的攝影相關(guān)參數(shù)[4]，從前、后、左、右和正射5 個(gè)方向采集影像數(shù)據(jù)[5]，獲取建筑紋理，導(dǎo)入三維建模軟件，創(chuàng)建傾斜攝影三維模型。實(shí)景三維模型模型建設(shè)如圖1 所示。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影硬件選擇

決定傾斜攝影三維模型質(zhì)量的因素主要有2 個(gè)：影像地面分辨率和影像清晰度、對(duì)同一區(qū)域的照片覆蓋度。從實(shí)際建模效果來看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測(cè)的三維模型，建筑區(qū)傾斜影像的分辨率要達(dá)到2～3 cm，一般地區(qū)要達(dá)到5～6 cm，相片的平均覆蓋度要達(dá)到40%重疊以上[6]。

圖1 實(shí)景三維模型模型建設(shè)

2.1 飛行設(shè)備選擇

目前，市場(chǎng)上無(wú)人機(jī)的種類繁多，按照動(dòng)力系統(tǒng)可以區(qū)分為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和電池動(dòng)力，從飛行實(shí)現(xiàn)方式上可以區(qū)分為固定翼和旋翼（單旋翼、多旋翼）。由于飛行平臺(tái)自身的振動(dòng)問題，在成像質(zhì)量上電池動(dòng)力優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力；在作業(yè)效率和續(xù)航時(shí)間上，固定翼優(yōu)于旋翼；在飛行穩(wěn)定性上，旋翼優(yōu)于固定翼。由于無(wú)人機(jī)用途不同，其性能標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。測(cè)繪型無(wú)人機(jī)對(duì)飛行標(biāo)準(zhǔn)要求更高，可以在載重、巡航速度、實(shí)用升限、續(xù)航時(shí)間、安全性和抗風(fēng)等級(jí)等方面作出限定。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)特點(diǎn)，在傾斜攝影測(cè)量中選擇以下方案[7]。無(wú)人機(jī)選擇如表1 所示。

表1 無(wú)人機(jī)選擇

2.2 傾斜攝影測(cè)量相機(jī)選擇要求

在CH/Z 3005—2010 《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中，對(duì)測(cè)繪航空攝影也就是垂直攝影的相片傾角作出了規(guī)定，要求傾角不大于5°，最大不超過12°，旋轉(zhuǎn)角要控制在15°范圍內(nèi)，最大不超過30°?，F(xiàn)有的航測(cè)軟件處理能力已經(jīng)有了很大提升，可以在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，把傾角15°以上的都劃歸到傾斜攝影的范疇。傾斜攝影發(fā)展到今天，傾斜相機(jī)不再限定相機(jī)鏡頭的數(shù)量。傾斜相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是獲取不同角度影像的能力和單架次作業(yè)的廣度和深度。這包括五鏡頭、三鏡頭、雙鏡頭等多鏡頭相機(jī)及可以調(diào)整相機(jī)拍攝角度的單相機(jī)系統(tǒng)。在無(wú)人機(jī)航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，要求航測(cè)相機(jī)像素不低于3 500 萬(wàn)，在傾斜攝影中可以不對(duì)單一相機(jī)的像素進(jìn)行限定，而對(duì)一次曝光獲取的影像像素進(jìn)行控制。傾斜相機(jī)的性能要求可以從獲取影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光功能、續(xù)航時(shí)間、POS 記錄功能等方面作出限定，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①傾斜攝影一次曝光采集的像素越高越好，單個(gè)鏡頭不低2 000 萬(wàn)像素，一次曝光不低于1 億像素；②作業(yè)時(shí)間至少能達(dá)到90 min，最好具備全天候的作業(yè)能力；③選擇定焦鏡頭，具有定點(diǎn)曝光功能，且對(duì)焦無(wú)限遠(yuǎn)，確保影像重疊度滿足要求[7]。

3 飛行前準(zhǔn)備

3.1 飛行前檢查

為更好地實(shí)施航空攝影，無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航測(cè)飛行前，必須將前期所有準(zhǔn)備工作做好[8]，在飛行前應(yīng)全面了解測(cè)區(qū)基本地形地貌，現(xiàn)場(chǎng)踏勘、核實(shí)測(cè)區(qū)是否處于禁飛或限飛區(qū)，是否有超過航高的建（構(gòu)）筑物或者低于航高10 m 范圍內(nèi)的高大金屬構(gòu)筑物，例如高壓線塔、信號(hào)塔、作業(yè)塔吊等，防止出現(xiàn)飛行盲區(qū)。像控點(diǎn)是保證航測(cè)精度的重要標(biāo)識(shí)物，要詳細(xì)檢查像控點(diǎn)、檢核點(diǎn)是否被破壞、遮擋，檢查像控點(diǎn)布設(shè)是否合理。每次航飛前要確保無(wú)人機(jī)和遙控器電池電量滿足飛行要求，檢查無(wú)人機(jī)組件是否牢固，檢查相機(jī)鏡頭是否同步，檢查遙控器與無(wú)人機(jī)連接是否正常。只有做好航測(cè)前的基本準(zhǔn)備工作，才能確保飛行質(zhì)量和效率。

3.2 航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)，需要目標(biāo)區(qū)域邊緣地物能出現(xiàn)在像片的任何位置，與測(cè)區(qū)中心地區(qū)的特征點(diǎn)觀測(cè)量一樣，要充分考慮到測(cè)區(qū)的高差等情況，具體可以按照公式（1）來計(jì)算航線外擴(kuò)的距離：

式（1）中：L 為外擴(kuò)距離；H1為相對(duì)航高；θ為相機(jī)傾斜角；H2為攝影基準(zhǔn)面高度；H3為測(cè)區(qū)邊緣最低點(diǎn)高度；L1為半個(gè)像幅對(duì)應(yīng)的水平距離。

3.3 合理區(qū)域規(guī)劃

由于測(cè)區(qū)地貌差別巨大，需要根據(jù)測(cè)區(qū)不同合理制定航測(cè)規(guī)劃方案。平地、丘陵地和山地分區(qū)內(nèi)的高差不應(yīng)大于1/4 相對(duì)航高；高山地分區(qū)內(nèi)的高差不應(yīng)大于1/3 相對(duì)航高，山區(qū)宜按照地勢(shì)劃分任務(wù)區(qū)，劃分時(shí)同一個(gè)任務(wù)區(qū)內(nèi)的地勢(shì)高差不宜超過30 m。在地形高差符合規(guī)定地條件下，分區(qū)的跨度應(yīng)盡量劃大，且完整覆蓋攝區(qū)。同時(shí)合理確定禁飛區(qū)、限飛區(qū)和大片無(wú)特征點(diǎn)（如湖面、海面等）的區(qū)域，并將以上區(qū)域扣除。對(duì)城鎮(zhèn)密集區(qū)按照主要的街道進(jìn)行任務(wù)區(qū)域劃分，飛行區(qū)域要連片成矩形，相鄰任務(wù)區(qū)之間符合測(cè)區(qū)覆蓋設(shè)計(jì)要求，計(jì)算重疊率。

4 設(shè)置合理的飛行參數(shù)

4.1 飛行及存儲(chǔ)要求

飛行任務(wù)根據(jù)網(wǎng)格狀劃分的任務(wù)區(qū)域去飛行，一個(gè)任務(wù)區(qū)盡量不要超過20 000 張照片，各任務(wù)區(qū)的飛行高度、速度、重疊率等參數(shù)要一致。

4.2 航攝高度設(shè)置

首先根據(jù)所需傾斜攝影測(cè)量的區(qū)域精度要求確定地面分辨率，并結(jié)合測(cè)區(qū)地形進(jìn)而確定行高，飛機(jī)會(huì)根據(jù)實(shí)地地形自動(dòng)調(diào)整飛行高度，如1∶500 比例尺可以設(shè)定地面分辨率為3～5 cm[8]，在地籍傾斜攝影中可以設(shè)置為1.5 cm[9]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，具體可以按公式（2）計(jì)算[10]：

式（2）中：H 為航攝高度，m；f 為鏡頭焦距，mm；GSD 為地面分辨率，m；α為像元尺寸，mm。

4.3 航攝重疊度設(shè)置

無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)，不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論建議值是66.7%?？梢詤^(qū)分為建筑稀少區(qū)域和建筑密集區(qū)域2 種情況。建筑稀少區(qū)域考慮到無(wú)人機(jī)航攝時(shí)的俯仰、側(cè)傾影響，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)在無(wú)高層建筑、地形地物高差比較小的測(cè)區(qū)，航向、旁向重疊度建議最低不小于70%[10]。要獲得某區(qū)域完整的影像信息，無(wú)人機(jī)必須從該區(qū)域上空飛過。以兩棟建筑之間的區(qū)域?yàn)槔绻@兩棟建筑由于高度對(duì)這個(gè)區(qū)域能形成完全遮擋，而飛機(jī)沒有飛到該區(qū)域上空，那么無(wú)論增加多少相機(jī)都不可能拍到被遮區(qū)域，從而造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。建筑密集區(qū)域的建筑遮擋問題非常嚴(yán)重。航線重疊度設(shè)計(jì)不足、航攝時(shí)沒有從相關(guān)建筑上空飛過，都會(huì)造成建筑模型幾何結(jié)構(gòu)的粘連。為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，影像重疊度最多可設(shè)計(jì)為80%～90%[10]。當(dāng)高層建筑的高度大于航攝高度的1/4 時(shí)，可以采取增加影像重疊度和交叉飛行增加冗余觀測(cè)的方法進(jìn)行解決。

5 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

5.1 外業(yè)航飛

選擇在無(wú)風(fēng)晴朗的好天氣進(jìn)行航飛，最終獲取到多張傾斜影像，影像層次更豐富，色彩更鮮艷，顏色飽和反差適中，更有利于后期三維模型制作[11]。

5.2 像控點(diǎn)測(cè)量

根據(jù)任務(wù)范圍和地形合理布設(shè)像控點(diǎn)，像控標(biāo)志應(yīng)選擇較為尖銳、識(shí)別度高、反射光的程度好、與周邊地物色差大的標(biāo)志物。除了道路已有交通標(biāo)志線角點(diǎn)和明顯清晰線性地物交點(diǎn)，盡量選用如圖2 所示的3類標(biāo)志類型，利用GPS-RTK 采集像控點(diǎn)坐標(biāo)值，在不同時(shí)段采集3 次，取其平均值，且3 次采集坐標(biāo)值要求誤差在2 cm 范圍內(nèi)[9]。

圖2 像控點(diǎn)

5.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理主要包括檢查航拍相片的質(zhì)量，是否存在漏拍、嚴(yán)重色差、云霧遮擋、不合理曝光等情況[12]。按照分型任務(wù)和鏡頭位置將相片進(jìn)行整理，多架次采集的同一任務(wù)區(qū)、同一鏡頭的項(xiàng)目按照時(shí)間順序進(jìn)行排列，放在同一文件夾下。照片匯集完成后要將其中的空片、飛片刪除，同時(shí)要做好POS 數(shù)據(jù)的整理，檢查POS 數(shù)據(jù)數(shù)量是否與照片數(shù)量完全一致；檢查POS數(shù)據(jù)序號(hào)名稱是否與照片名稱完全一致；將多架次采集的同一任務(wù)區(qū)的POS 數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序整理到同一文件，為后期數(shù)據(jù)處理做好基礎(chǔ)工作。

5.4 空中三角測(cè)量

攝影測(cè)量空三加密是根據(jù)若干分布于測(cè)區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)，運(yùn)用立體測(cè)圖技術(shù)，計(jì)算得到匹配加密點(diǎn)的高程和平面位置[13]?？杖?jì)算是由系統(tǒng)自動(dòng)完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行，即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系。

5.5 模型創(chuàng)建

建模軟件選取行業(yè)主流軟件Bently 公司的Context Capture（Smart3D），Smart3D 傾斜攝影測(cè)量三維建模的基本原理是利用空三加密計(jì)算出連接點(diǎn)，以連接點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 進(jìn)而生成三維框模，然后利用軟件在三維框模中輸入航攝影像資料，由軟件完成自動(dòng)影像，進(jìn)而輸出完整的被測(cè)場(chǎng)景三維模型[14]。利用Smart3D 軟件，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合野外實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)測(cè)量成果進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，實(shí)現(xiàn)多視影像匹配，生成數(shù)字地表模型DSM，經(jīng)紋理映射形成基于實(shí)景影像紋理的非單體化模型，即三角網(wǎng)模型成果。海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)指的是傾斜攝影模型數(shù)據(jù)量往往非常龐大，可以充分利用三維超算中心平臺(tái)自動(dòng)化建模、三維合成AI 云算合成、正射影像AI 云算合成、DEM AI 云算合成、仿正射拼接Al云算，實(shí)現(xiàn)三維云算中心海量高效高質(zhì)量大數(shù)據(jù)超算服務(wù)，讓專業(yè)海量數(shù)據(jù)處理工作由人工智能大數(shù)據(jù)云算技術(shù)來完成，讓三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)更快更簡(jiǎn)單。

5.6 紋理貼圖

在完成多視角影像空中三角測(cè)量處理后就具備了三維實(shí)景建模的基礎(chǔ)，在點(diǎn)云密集匹配過程中，紋理提取是按照單模型點(diǎn)云提取的方式進(jìn)行[15]。基于單體化三維建筑模型的結(jié)構(gòu)與空間特征，區(qū)分不同類型面元并對(duì)面元分類重組，提取紋理繪制基元，作為自動(dòng)紋理映射的基本處理單元[16]，最終將各個(gè)單體構(gòu)成的區(qū)塊紋理融合在一起，提高了模型分層瀏覽的效率和三維實(shí)景建模的質(zhì)量。無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)字三維模型紋理為地物的真實(shí)紋理，但是由于鏡頭反光、地物陰影、大面積相似紋理、分辨率變化異常等問題，可能會(huì)導(dǎo)致三維模型局部掛花。為了解決以上問題，需要重新獲取初始目標(biāo)紋理貼圖，將三維模型面片的頂點(diǎn)投影至所述初始目標(biāo)紋理貼圖中，得到初始目標(biāo)紋理貼圖坐標(biāo)，根據(jù)初始目標(biāo)紋理貼圖坐標(biāo)，計(jì)算所述初始目標(biāo)紋理貼圖中每個(gè)面片內(nèi)像素的重心坐標(biāo)，所述初始目標(biāo)紋理貼圖內(nèi)像素填充為0；根據(jù)所述初始目標(biāo)紋理貼圖到原始紋理貼圖的映射關(guān)系，從原始紋理貼圖中拾取顏色放入初始目標(biāo)紋理貼圖中，從而解決三維建筑模型表面紋理映射中存在的紋理遮擋、模糊等問題，獲得更精細(xì)的紋理映射效果，最終輸出高精度數(shù)字三維傾斜攝影模型。

6 三維實(shí)景建模精度驗(yàn)證

選擇建模區(qū)域范圍內(nèi)的地物，隨機(jī)抽取一定比例的外業(yè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)樣本點(diǎn)的平面誤差和高程誤差進(jìn)行驗(yàn)證分析，得出三維實(shí)景建模精度分析數(shù)據(jù)。3 個(gè)方向中誤差計(jì)算公式為：

式（3）中：Δ為真誤差；n 為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)[17]。

平面中誤差計(jì)算公式為：

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)和數(shù)碼相機(jī)硬件設(shè)備輔助軟件的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)由于它成本低、效率高、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、操作靈活等特點(diǎn)，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模應(yīng)用將會(huì)越來越普及，特別是未來在三維地理信息模型建立中將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。