无人机倾斜摄影三维建模技术研究

无人机倾斜摄影三维建模技术研究

张永亮

中铁十七局集团建筑工程有限公司山西省太原市030032

摘要：倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，倾斜摄影三维数据可为智慧城市、规划、测绘、建筑、基础设施建设等多种行业提供测绘数据来源。由倾斜影像生成三维模型就是倾斜摄影建模。

关键词：无人机；倾斜；摄影；三维建模；技术；分析

一、倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量是通过在同一飞行平台上搭载多台航摄相机，同时从垂直、前视、左视、右视与后视共5个不同的角度采集影像。可在飞行的过程中以同频率同时获取多个角度的影像。其中，垂直摄影影像，可经过传统航空摄影测量技术处理，制作4D产品；前视、左视、右视与后视4个倾斜摄影影像，倾斜角度在15°~45°之间，可用于获取地物侧面丰富的纹理信息。通过高效自动化的三维建模技术，快速构建具有准确地物地理位置信息的真三维空间场景，直观地掌握目标区域内地形地貌与所有建筑物的细节特征，可为工程建设提供现势、详尽、精确、逼真的空间基础地理信息数据支持和服务。

二、作业流程：

本研究利用大疆Matrice600Pro作为飞行平台，挂载五镜头倾斜摄影相机进航拍，利用Smart3D软件进行数据处理。成果完成后，可利用Smart3D、SuperMap、3dsMax等相关三维网格、数字点云等浏览软件进行浏览、查看、地形地物的量测等工作，可利用AutoCAD、Civil3D等相关软件进行测量专业的扩展应用。具体工作流程如图一所示。

三、航测准备：

空域申请主要包括两方面工作：1、航摄计划制定。根据测区范围，编制航测范围缩略图，并制定出完成该航测计划所需要的时间计划。2、航摄空域申请。由航测项目所在的地方政府出具《航空摄影空域申请报告》，应获得战区及下属空军司令部的批准。

航测技术设计主要确定任务来源、测区概况、主要技术依据、技术设计、实施方案、质量控制与保障、成果提交等内容。

航测设备的检定应由具有相应资历的法定检验单位进行，并出具相应的检定报告。系统安装调试包括保证无人机有充足的电力并性能稳定，航测相机能正常拍摄和记录数据，航测的定姿定位系统工作正常。

四、航空摄影

航测前，应根据测区范围、航测比例尺和地面清晰度的要求，设置无人机的飞行高度，由于倾斜摄影测量的成果有三维表面模型，对航片的清晰度要求较高，所以航高设置不宜太高，影像重叠度应适当加大，一般设置在75%~85%之间。因为倾斜摄影相机为五镜头相机（一个正摄相机，四个倾斜45度相机），为了保证测区影像全覆盖，应保证一定的外扩距离，外扩距离应不小于航高。航测时，通常情况下，航线应按东西向直线飞行，特定条件下，也可根据地形走向与专业测绘需要，按照南北走向或沿路线、河流、海岸、境界等任意方向飞行。

五、数据处理

像片控制测量就是在测区实地测定像片控制点的平面位置和高程，用于空中三角测量计算。像片控制点应保证在像片上清晰易辨别处，高程控制点还应保证选在高程变化不大的地方。由于本研究应用的航摄设备搭载定姿定位系统（POS），可根据成果精度要求，选择是否需要进行相片控制测量这一步骤。

空中三角测量是利用航摄像片与所摄目标之间的空中几何关系，根据少量的相片控制点计算带求点的平面位置、高程和像片外方位元素。本研究的航摄平台安装GPS和IMU组成的定姿定位系统（POS），可获取航摄相机曝光时刻摄站的空间位置和姿态信息，即像片的外方位元素。

本研究数据处理利用航摄相机自带软件进行数据预处理和SMART3D进行空三测量计算。主要步骤有：像片导出、POS文件下载、像片和POS文件匹配建立工程表、建立新区块并导入文件、输入航摄相机检定文件、空中三角测量计算等步骤。

六、成果提交

空中三角测量计算完成后，进行成果输出。成果形式包括：三维表面模型（倾斜摄影测量成果）（图3）、三维点云（图4）、数字正射影像、航摄像片等。

图3.三维表面模型（倾斜摄影测量成果）图4、利用点云数据在Civil3D中生成的三维地形

七、结语

综上所述，将倾斜摄影技术应用于施工生产，具有创新性和先进性。通过时效好、精度高的倾斜摄影测量成果对施工生产进行优化设计，特别是利用三维表面模型和BIM技术的融合进行施工现场浏览、布置优化等工作；利用三维点云数据生成DEM，进行土方计算等工作。目前，倾斜摄影测量所生产的三维模型还存在部分缺陷，主要体现在：在楼间距狭小的建筑物密集区，因建筑物的遮挡而造成底部变形较大；围墙、栏杆等截面过小地物，特征点匹配较少而造成模型缺失；水面、玻璃等光滑表面缺少纹理特征，无法匹配特征点而产生模型漏洞等，今后随着倾斜摄影技术的快速发展和日渐成熟，将在施工生产中发挥越来越大的作用。

参考文献：

[1]朱国强,刘勇,程鹏正.无人机倾斜摄影技术支持下的三维精细模型制作[J].测绘通报,2016(09):151-152.

[2]曲林,冯洋,支玲美,高文慧.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息,2015,38(03):38-39+43.