无人机倾斜摄影技术下的三维精细模型建构

无人机倾斜摄影技术下的三维精细模型

建构

摘要：倾斜摄影技术与无人机技术结合，可以对地面静态目标进行三维地理信息建模，即DEM建模，而且通过无人机巡航路线，可对静态目标提供多角度倾斜摄影原始数据。一般倾斜摄影需要足够多的倾斜摄影角度，而无人机倾斜摄影恰好可以提供足够多的倾斜摄影角度。所以，当前无人机倾斜摄影工程量占到全部倾斜摄影工程量的绝大部分。

关键词：无人机;倾斜摄影;高精度建模;图像预处理;神经网络

引言

无人机倾斜摄影三维建模是近些年才发展起来的一项“引领产业变革的颠覆性测绘新技术”,其带来的技术创新和模式创新,将引领测绘地理信息产业的变革,也是今后普遍采用的测量和三维建模方法。由于目前无人机倾斜摄影三维建模并不为大多数从业者了解和掌握,笔者下面将具体谈一谈,希望能够对大家更好地认识这门技术提供帮助。

1无人机倾斜摄影三维建模技术简介

1.1 适合倾斜摄影的无人机

倾斜摄影是相机倾斜角度在25°-45°之间,影像最远边缘无天际线。由于倾斜摄影三维建模要求有较高的影像地面分辨率和较大的航向及旁向重叠度,因此,倾斜摄影飞行平台应具备低空、慢速、小型(低慢小)的特点。电动多旋翼、超轻型固定翼(手抛起飞)、垂直起降固定翼等无人机低速性能好,价格低,易维修,比

较适合倾斜摄影。而有人驾驶飞机出于安全考虑,不能进行低空飞行,也就难以获取三维建模所需的优于5cm地面分辨率的倾斜影像。油动固定翼无人机和无人直升机由于操作和维护难度大、飞行危险性较大,也不适宜进行倾斜摄影。

1.2消费级数码相机

消费级数码相机的成像质量、像素数量等接近专业级数码相机的指标。以各类无人机作为飞行平台、使用消费级相机制作的轻型和微型倾斜摄影系统层出不穷。而倾斜摄影对飞行平台和相机物理参数的不敏感性,使得普通消费级数码相机完全可以胜任。

2无人机倾斜摄影测量三维建模

2.1影像匹配

影像匹配是三维模型生成的基础，匹配精度将会影响到后续成果的质量。在影像匹配方法中，基于特征的影像匹配精度较高并且适应力较强，当前主流的倾斜摄影三维建模软件均采用此算法进行影像匹配。该算法对同一地物影像的色彩特征有一定的依赖性，若将航飞时间间隔长或者光照条件差异大的影像放在同一个加密区进行匹配，则容易出现错误匹配的情况。为了提高影像匹配的正确率，在实际生产中可以通过以下方法来实现:进行外业数据获取时，严格控制航飞的时间，尽可能在一致的光照条件下对相邻地物影像进行采集;提高POS数据的精度;对原始影像数据的色彩进行均一化的处理。

2.2倾斜摄影

倾斜摄影是指通过同一飞行器平台搭载倾斜航摄仪，同时从垂直、倾斜等多个不同角度采集场景多视影像。根据摄区范围大小、地形情况，飞行器平台可以分别选择直升机、无人机及动力伞等，目前实施倾斜摄影使用频率最高的飞行器为旋翼无人机。任务荷载方面，搭载的倾斜航摄仪有五镜头、三镜头等相机，针对单体实施倾斜摄影时，也可以使用单镜头进行倾斜拍摄。为保证实景三维数据质量及精度，目前倾斜摄影多视影像地面分辨率以5cm内为主，影像航向重叠度控制在70%—80%之间，旁向重叠度控制在60%—70%之间。

2.3多视影像联合平差

航摄时可搭载高精度的定位设备，如定位定姿系统(POS)来获得无人机平台的参数，如航高、曝光时间、姿态角等。通过对区域网进行平差计算，将连接点

进行匹配，最后再剔除粗差点，直到所有连接点的重叠度、数量、像方误差、分

布等满足规范要求，即可完成多视角联合空中三角测量，解算出各影像的外方位

元素。在利用软件进行多视角影像平差时，为了提高平差的精度及平差效率，可

采取以下措施:对于加密区的划分需考虑地形及航飞因素，并尽可能将地物特征

少的区域划分在加密区的中间;若同一加密区内涉及多个航飞架次的数据，手动

增加连接点以增强架次之间的连接性;先转刺加密区四角上的控制点，在完成一

次平差后，再转刺剩余的控制点。

2.4多视影像密集匹配

选取最优的影像匹配单元，经滤波处理和多视影像密集匹配，获得高密度实

景数字表面模型数据。在处理过程中，由于部分影像缺少足够的同名点或被遮挡，生成的模型会有匹配精度不高、拉花的现象，这些问题需要人工编辑修改。在匹

配过程中难免还是会出现匹配误差较大的粗差点，例如大片水域区域、高层建筑

物以及阴影长的区域，因此在实际生产中，在密集匹配阶段需要做部分人工干预

的工作。在使用软件完成密集匹配的过程中，可通过以下方式降低匹配的错误率:通过分析测区的地形，确定测区内的最小高程及最大高程，限制匹配的高程范围;对易产生错误匹配的区域的影像进行人工筛查;在保证重叠度的情况下将部分影

像从加密区中剔除。

2.5生成数字表面模型

利用多视影像密集匹配空三成果，生成高精细数字表面模型(DSM)，该模型

数据可以准确反映地形起伏变化情况。由于倾斜多视影像之间存在角度、色差、

高度等方面的差异，且影像中存在阴影和地物遮挡的情况，因此使得DSM局部出

现不规则拉伸及扭曲的情况。

3应用分析

3.1大比例尺测图

基于倾斜摄影实景三维模型生产大比例尺(1∶500/1∶1000)地形图基本满足《城市测量规范》1∶500数字线划图的精度要求，相比于数字化测图作业方式，

生产效率得到了明显提升。但模型中部分尺寸较细的地物(如路灯、电杆等)建模

效果不佳，扭曲变形较为严重，采集误差较大，需要用其他作业方式进行补充测量。另外，针对部分地物要素特点，可研究开发一些智能自动化线划图提取功能

软件，从而进一步提升线划图生产效率。

3.2土方测量

利用倾斜摄影空三成果，可以输出真彩点云数据，该点云数据具高密度及高

精度特点，可用于无植被遮挡大范围裸露土石方测量项目，通过与传统土方测量

比较，量测方量较差百分比小于3%，满足《城市测量规范》要求。需要注意，为

满足土方测量高程精度要求，像控测设高程控制需采用水准测量与周边高等级水

准点进行联测。

3.3地籍测量

倾斜摄影实景三维建模技术在地籍测量项目中的应用主要体现在地籍调查底

图生产，传统作业方式为全野外数字化测量，需要投入大量人力物力，且生产周

期长，投入成本大，将倾斜摄影应用于地籍测量项目有效提升工作底图生产效率。经精度验证发现，60%—70%房屋角点平面误差在±5cm以内，符合地籍界址点精

度要求;剩余精度超限部分为隐蔽或不规则房屋角点，多为房屋周边存在植被树

木遮挡或为老旧木土材质房屋，对于此类房屋角点需采用其他方式(如数字化测量)进行补充测量。

结束语

目前，大规模三维实景模型构建的主流选择是倾斜摄影技术，就是因为它可

以创造性地获取多视角影像。倾斜摄影三维建模技术是对传统测绘技术的一种颠覆,具有所建地表模型精细程度高、视觉效果佳、产品形式多样等优点。未来,随

着无人机倾斜摄影三维建模系统相关组件技术尤其是单体化技术的突破性发展,

倾斜摄影三维建模技术将在所有能够想得到的应用领域发挥举足轻重的作用。

参考文献

［1］张祖勋．数字摄影测量原理［M］．武汉:武汉大学出版社，1997．