无人机倾斜摄影的城市实景三维建模（基于Smart3D从航飞到建模）

摘 要: 以合作市实景三维建模为例，阐述了无人机倾斜摄影、实景三维模型 数据生产的基本原理。利用无人机搭载倾斜相机的方式采集影像数据，选用 ContextCapture 软件作为数据处理平台，将从影像中获得的纹理信息和几何模型相结合，构建合作城区附近 24 km2的实景三维模型。

引 言

传统的航空摄影测量技术经过多年的不断发展，至今已经非常成熟，在 1∶ 10 000、1∶ 5 000 基础测绘及大比例尺地形图测绘中发挥着重要作用。随着计算机技术、虚拟现实等技术的发展，空间信息技术也迎来了前所未有的变革。以传统航空摄影测量技术理论与方法为基础，从 20 世纪 90 年代开始国际地理信息领域逐步发展了倾斜摄影的理论与技术方法［1］ 。倾斜摄影测量通过在一个飞行平台上搭载多台相机，从不同的角度采集地面影像，突破了传统航测只拍摄下视影像的局限，是对航测理论与实践的革命性创新。利用倾斜摄影技术，可以从影像中提取地物空间位置、建筑结构、色彩与纹理等，然后按照统一的坐标系迅速建立城市实景三维数据模型，用户能够直观地从三维模型上判读河流、湖泊、山川、道路、建筑物等，弥补了传统航空摄影及正射影像的不足。实景三维建模是倾斜摄影最重要的应用方向。

传统三维建模方式需要采用人工实地拍照的方法，得到建筑物的细部纹理，存在工作量大、时间成本高、纹理失真、模型精度低等缺点 。倾斜摄影利用多传感器，从多角度观测同一地物，地物纹理更加丰富，效果更加真实，是未来三维城市建模的主流方向 。

本文以甘南州合作市城区为试验区，开展了利用无人机倾斜摄影测量技术建立城市三维实景模型的技术试验，总结了技术方法流程，并对实施过程中需要注意的技术要点进行了探讨。

1 区域概况

合作市为甘肃省甘南藏族自治州州府所在地，位于甘南州北部，地处甘、青、川三省交界处，青藏高原东南端。本试验区为合作市城区，面积 24 km2。合作城区海拔约 2 930 m，四周被低山环绕，为一近椭圆形的低洼盆地。南北分别为当周山和阿姻尼念山，城区南北长、东西窄。合作市总体地势平坦，自东南向西北倾斜，合作河由南向北穿过市区。

2 无人机倾斜摄影

2． 1 基本原理

无人机航测系统是一种以无人机为飞行平台，以各

类传感器为主要载荷，能够获取遥感影像信息的无人航测数据获取系统。无人机主要包括机体、飞行控制系统、数据链、电源等。飞行控制系统是无人机的核心，对系统的稳定性等有重要影响。目前，无人机航测系统已成为传统航测系统的重要补充，具有机动灵活、空域限制小、高效快速、成本低廉的特点，在小区域获取高分辨率影像具有显著优势。

倾斜摄影测量技术是当前一项新兴、热门的测绘技术。它通过在飞行器上搭载多台传感器，从垂直、倾斜等多个角度拍摄，获取高精度影像。国内外倾斜摄影平台较多，如 ADS 系列相机、ＲCD30 倾斜航摄仪、微软公司的UCO － P 航摄仪、Pictometry 倾斜摄影系统、四维远见的SWDC － 5 倾斜相机等。较常见的倾斜航摄仪多为 5 拼相机，5 台相机分别朝向前、后、左、右和垂直向下。在每个曝光点上，由多个镜头同时获得不同角度的影像。同一特定地物可以在不同曝光点多个不同角度影像上成像。为便于后期对数据进行处理，拍摄影像时需同时获取曝光时间、平面位置、航高、大地高、飞行姿态等数据。将无人机与倾斜摄影技术相结合，是实现低成本、快速建立城市实景三维模型的有效方式。由于无人机飞行高度低，所拍摄的倾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼观测颜色，能够显著提高城市三维模型的真实感。

2． 2 倾斜影像获取

倾斜影像是利用具有固定角度的倾斜相机拍摄获取

的。本研究采用目前国内较成熟的 DM － 150 无人机平台进行航摄，该机型对场地要求低，支持滑跑、弹射等起飞方式，可以在阴天作业，飞行高度 300—6 000 m。使用的航摄仪为 DM5 － 3600，该航摄仪由 5 台 sony 7Ｒ 相机组成，倾斜相机与下视夹角为 38°。基本参数见表 1。

根据 1∶ 1 000 地形图成图规范和三维建模对数据的要求，原始像片空间分辨率为 0． 09 m。无人机相对航高645． 5 m，南北向共飞行 24 条航线，为保证城区建筑物纹理信息采集精度，在主城区及周边山区采用不同的旁向重叠度进行航摄。主城区旁向重叠度为 70% ，航向重叠度为 77% ，周边山区因地物简单，主要是对地形进行建模，航向重叠度为 77% ，旁向重叠度为 47% 。测区航摄示意图如图 1 所示

图 1 合作市倾斜摄影示意图

无人机摄影完成后，需对摄影数据进行分析、整理，主要的成果包括倾斜影像和 POS 数据( 见表 2) 。

3 合作市实景三维模型生产

3． 1 基本原理

倾斜摄影测量三维建模以倾斜影像为数据源，集成倾斜影像与下视影像数据进行平差计算，构建三维环境，可弥补单一视角数据遮挡、纹理不丰富、多余观测不足等局限。实景三维建模的关键技术有数据预处理、倾斜影像区域网联合平差、点云密集匹配、不规则三角网构建、纹理映射及三维建模等。其中，关键点是倾斜影像联合平差、纹理映射和实景三维模型自动构建。

利用倾斜摄影测量技术进行实景三维建模具有以下特点:

1) 逼真地反映地物地貌实景三维模型突破了平面地图无法描述地物立体结构与三维纹理的限制，让用户可以从不同角度浏览同一地物，可真实地表达地物周边环境。由于倾斜摄影实现了多个角度观测，同一地物在影像中存在上百次的多余观测，纹理丰富，通过计算机算法实现纹理的智能提取与映射，能够大大提高三维建模的效率。与传统的三维建模相比，目视效果更加逼真。2) 模型可量测性基于倾斜摄影技术建立的实景三维模型具有真实的地理坐标，能够进行点坐标、高程、线段距离、面积、土石方量、坡度、方位角等的量测，可在市政、国土、工程建设等行业中广泛应用 。3) 倾斜影像联合加密利用实景三维建模技术，结合下视与倾斜拍摄影像进行联合平差，匹配密集点云，并完成纹理映射，建立逼真的三维场景。

3． 2 技术流程

本研究采用的实景三维建模软件是 ContextCapture，该软件前身为 Acute3D 公司的 Smart3D，是一个革命性的全自动三维建模软件，能够无须人工干预地利用连续多角度影像，生成超高密度点云，并在此基础上生成高分辨率的具有真实影像纹理的三维场景。基于该软件构建实景三维模型的基本流程如图 2 所示。

图2 城市实景三维模型构建的基本流程

3． 3 数据预处理

对获取的航摄数据进行整理检查，检查内容包括影像质量和文件格式、影像重叠度、POS 记录信息与影像对应关系。

为保证影像色彩满足生产要求，原始影像需进行匀光与匀色。处理后的数据应保证整个测区整体色调的一致，且单张航片不偏色。

3． 4 实景三维模型生成

倾斜影像空中三角测量是实景三维模型构建的关键步骤。因多视角影像平差需要考虑影像的几何变形及相互间的遮挡关系，传统的空三软件无法处理，倾斜摄影空三平差处理最重要是如何将垂直下视影像和倾斜影像进行混合平差。

ContextCapture 建模精度较高，模型构建采用分块构建计算，软件自动选择不同视角上的最优像对模型，并生成超高密度的点云。基于点云数据自动构建 TIN 模型，根据三维 TIN 的空间信息，获取最佳视角影像纹理，并自动赋予模型，输出 OSGB 格式三维模型成果。ContextCapture生产的实景三维模型如图 3 所示。

图3 合作市实景三维模型

3． 5 技术要点

1) 无人机倾斜摄影及三维建模对像片质量要求较高。在保证足够曝光量的情况下，为了减少像点位移、镜头渐晕的影响，提高影像的信噪比，应综合考虑航摄时的气象条件、航高等因素，选择最佳的曝光参数。2) 由于无人机采用非量测型的单反相机进行航空摄影，其镜头畸变较大，照片边缘变形明显，造成像点、物点不满足三点共线条件，影响空三加密和三维模型建立的精度。因此，利用准确的相机检校文件改正照片的畸变差极其重要，直接影响后续处理能否顺利完成。3) 尽管无人机自带的 POS 精度较差，但在执行三维重建任务时，应利用该 POS 数据确定像片间的相对位置关系，软件通过空中三角测量的处理过程自动优化 POS数据。如果不为原始影像输入曝光点空间位置数据，会极大地增加连接点匹配的时间，甚至导致失败。4) 在空三加密过程中，由于无人机获取的 POS 数据精度较差，在有些区域会出现部分像片不入网及空三模型错误的情况，可通过在错误区域周边添加控制点或连接点的方式解决。

4 结束语

近年来，基于无人机倾斜摄影进行三维城市建设得到了快速的发展，其具有纹理真实、数据精度高等诸多优点，在未来实景三维城市和智慧城市的建设中将发挥越来越重要的作用。无人机具有快速灵活和成本低廉的特点，促进了倾斜摄影数据的快速获取。无人机技术与倾斜摄影技术相结合为未来数字城市以及智慧城市空间框架数据采集提供了一种新的解决思路。