无人机倾斜摄影测量技术在实景中国建设中的应用研究
摘要：针对传统三维建模方法存在的建设周期长、成本高、精度低、与真实世界反差大等缺点，提出了一种基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维实景建模方法。结合应用实例，对该技术的原理以及整个应用流程进行了探讨，同时对成果精度进行了分析。研究结果表明：应用无人机倾斜摄影测量技术构建的三维模型真实逼真、纹理丰富，且具有较高的位置和属性精度，大大降低了三维建模的成本并有效提升了模型生产的效率，为“智慧城市”建设提供了重要的技术支撑。
关键词：无人机；倾斜摄影测量；三维实景模型
近年来，随着我国“数字城市”向“智慧城市”的不断转型升级，以二维矢量数据为主的GIS应用已经难以满足当前的需求，一种所见即所得、更加直观的城市三维实景模型逐渐成为大众热衷的表达方式。
无人机倾斜摄影测量技术通过在无人飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个角度来采集地面物体的影像，借助于全自动高性能倾斜影像处理软件，可快速构建出城市三维实景模型。相比
于传统三维建模，应用无人机倾斜摄影测量技术构建的三维模型真实逼真、纹理丰富，且具有较高的位置和属性精度，大大降低了三维建模的成本并有效提升了模型生产的效率，如今已成为城市三维实景建模的主流趋势。
一、无人机倾斜摄影测量技术
1.1无人机倾斜摄影测量原理
无人机倾斜摄影测量技术作为国际测绘领域近年来新兴起来的一项高新技术，它颠覆了传统航空摄影技术，融合了正射和倾斜影像，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1个垂直、4个倾斜等多个不同角度采集影像数据，避免了传统航拍出现遮挡和盲点的问题。在拍摄过程中，同步记录航速、航高、旁向重叠和航向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析处理，为用户提供真实直观的实景信息。
1.2无人机倾斜摄影测量的主要特点
①起降方便：无人机对起降环境要求较低，无须专用机场，在空旷区域或相对开阔地面均可遥控起飞、降落；
②低空飞行：无人机飞行高度低，飞行高度200m~2500m，受天气影响较小，工作效率高；
③高分辨率：无人机飞行平台搭载的数码相机低空分辨率可达到厘米级，所拍摄的影像分辨率高，能够清晰看到顶部和侧面的纹理；
④建模效率高：无人机倾斜摄影技术可自动化实现影像数据采集、快速三维建模等。
1.3无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程
无人机倾斜摄影测量三维建模技术是以当前流行的无人机作为飞行平台，飞机携带五镜头相机进行倾斜影像的采集，其应用于三维建模的技术流程主要有：倾斜影像数据采集（外业航飞、像控测量）、多视角三维空中三角测量、真三维模型自动生产（模型重建、模型修复、生成实景真三维模型）。
二、应用实例
2.1项目概况
为满足三维地理信息平台建设的需要，某区将对主城区约60km2的区域实施倾斜摄影测量并
构建三维实景模型。该测区东西长约9.1km，南北长约6.6km，测区地势平坦，建筑物密集，要求地面影像分辨率优于0.05m，三维模型的平面精度和高程精度需达到二级区模型景观的要求。
2.2倾斜影像数据采集
（1）外业航飞
本项目采用MD4-100四旋翼无人机执飞，该飞行器采用模块化多核系统进行姿态检测和控制，可实现稳定飞行并完成多种任务。与无人机配套的是SONYQX1倾斜相机，5部相机可一键同时拍摄和读取输出像片数据。现场踏勘后制订航飞方案，航线按照摄区走向直线方法敷设，并按照一个航摄分区进行航飞，同时选取合适的航向和旁向重叠度，考虑到测区地势平坦，航飞高度低于200m。选择无风晴好天气进行外业航飞，最终获取到多张倾斜影像，经检查所拍摄的影像全部覆盖摄区，无相对漏洞和绝对漏洞，而且所有影像层次丰富、彩鲜明、颜饱和、反差适中，可用于后期三维模型的制作。
（2）像控测量
为保证本项目三维数据产品的精度，本项目像控点按照区域网进行布设，分区均匀布设了20个像控点和20个检查点，像控点和检查点的平面坐标和高程均采用ZJ-CORS网络RTK进行测量。
2.3多视角三维空中三角测量
利用街景工厂（StreetFactory）软件进行多视角三维空中三角测量。街景工厂可全自动将倾斜相机所拍摄的影像数据、相机参数、POS数据进行匹配，生成密集高连接点，再通过垂直影像和倾斜影像之间的连接点推算倾斜影像的外方位元素，最终完成相对定向和绝对定向。
2.4实景真三维模型生成
（1）模型重建
进行空中三角测量后获取了测区足够密集、排列紧密、具有颜信息的海量三维点云数据，为构建不规则三维TIN格网，按照数据密集程度将测区分割切割成８块，创建白体三维模型。由于倾斜影像都具有精确的地理坐标位置，已实现模型和影像之间的映射关系，因此，街景工厂软件可自助实现纹理自动贴图，最终生成具有高分辨率影像纹理的倾斜摄影三维模
型。
（2）模型修复
在三维模型重建过程中，由于水域等光滑表面的反光，或者空三加密时一些高大物体如建筑物、树木难以正确匹配到连接点，通常会出现水域空缺、模型漏洞或者扭曲变形的现象，此时可借助Smart3D软件筛选出需编辑的模块，或者采取补飞措施后重新生成模型，直到三维成果满足要求。
（3）生成实景真三维成果
利用ATLASGloble平台对实景真三维成果进行展示及管理，实现三维数据可视化漫游、多源数据融合及空间查询统计分析等。ATLASGloble平台二三维一体化展示系统可对海量、多源、多尺度的三维空间数据进行全空间、无级、无缝的三维可视化浏览，以及实现真三维场景下的漫游飞行、查询定位、空间分析等应用操作。
2.5三维模型精度评定
为了检测本次三维模型成果的位置精度，选取模型内具有明显特征的20个检查点，利用ZJ-CORS网络RTK和全站仪实地测量其坐标，与从三维模型上量测的解析坐标进行比对进行精度评估.
20个检查点中平面位置最大误差为0.179m，中误差为±0.121m；高程最大误差为0.389m，中误差为±0.256m，满足CHT9016-2012《三维地理信息模型生产规范》中对Ⅱ级区模型景观位置精度的要求：平坦地区DOM地面分辨率需优于0.2m，高程精度优于0.7m。
三、结束语
实践证明：应用无人机倾斜摄影测量技术构建的三维模型真实逼真、纹理丰富，且具有较高的位置和属性精度，大大降低了三维建模的成本并有效提升了模型生产的效率，在完整性和逻辑一致性方面都能满足现有规范的要求。应用中，我们也总结出以下两方面的技术难点：
（1）软件平台要求高，倾斜影像处理软件虽然高度自动化，但三维成果还会出现漏洞或者纹理变形的情况，需要结合人工反复精修。
（2）计算机硬件配置要求高，点云数据处理量相对较大，在展示三维模型纹理细节时，存
在加载延迟的情况。
相信随着技术的不断进步和软件的完善，以上两点不足都会得到较好的解决，基于无人机倾斜摄影测量技术的三维城市实景建模将会在GIS应用的多个领域发挥越来越重要的作用。
谷歌街景 中国参考文献:
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