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基于无人机倾斜实景三维摄影测量技术在城市三维建模中的应用与探讨

发表时间：2020/11/13 来源：《基层建设》2020年第22期作者：宗庆姚卫华刘东海

[导读] 摘要：无人机倾斜测量的快速建模已成为野外测量技术的一项先进技术。

        常州市测绘院江苏省常州市 213003
        摘要：无人机倾斜测量的快速建模已成为野外测量技术的一项先进技术。在无人机倾斜测量建模技术的基础上，采用智能三维专用软件，对图像处理、联合区域网平面差分、多视图像融合匹配、纹理映射等关键技术进行研究，快速实现真实的三维景观模型，对常州市经开区丁堰幼儿园项目进行了三维建模实验。通过对城市三维建模的工作流程和建模精度的检验，证实了该方法能够满足工程测量要求。
        关键词：无人机;倾斜摄影;实景三维模型;精度分析
        1引言
        随着现代科学技术的突飞猛进，城市信息化水平日益提高，数字三维城市已经成为城市管理的重要手段。传统的三维建模方法是通过外部方法手动拍摄照片，获取建筑物的结构和纹理，以及航空图像、平面矢量图、建筑物上部矢量图、航空图像、白色模型等数据来创建摄影纹理分析，指定对应的白色模式最后通过模型的详细结构对纹理信息进行处理。无人机倾斜摄影技术的发展覆盖了传统的测绘方法，利用无人机低空多媒体摄影获取高清晰度图像数据，生成三维地理信息模型，快速获取信息数据。本文以常州市经开区丁堰幼儿园三维模型为基础，通过图像处理、公共区域网平面差分、多幅视觉图像的密集匹配和纹理映射等技术，开发了基于无人机成像技术的智能三维专业化软件，快速实现了试验区三维模型的建立。
        2.无人机倾斜摄影概述
        2.1无人机倾斜摄影的概念
        倾斜摄影是近几年来国际测量领域发展起来的一项高科技技术，迄今为止，象形标志覆盖了只能从垂直角度拍摄的限制，通过将多个传感器同时连接到同一个飞行平台上，在五个不同的角度（例如垂直和四个倾斜角度）拍摄图像，并将用户引入到与人类视觉相符的真实世界中。
        2.2倾斜摄影测量与传统摄影测量的区别
        倾斜摄影测量获取包括垂直、前额、后视、左眼和右眼五个方向的图像，生成三维真实场景模型，并检查平面位置、大小、属性、形状、侧面、垂直面等特征。在传统的摄影测量中，通过获取研究区域内每个摄影站的中心投影图像并生成正图像来研究被摄体的中心位置、大小、形状和性质。在过去，我们使用三维真实比例模型来测量侧面和地面的横截面、三维场景模拟等，摄影的测量范围大大扩大。
        2.3无人机倾斜测量系统
        无人机切片技术是近年来发展起来的一项先进技术，它克服了传统的航空摄影技术，将正、斜影像结合起来，在同一飞行平台上搭载多个传感器，同时显示垂直和四个方向坡度多角度采集图像数据，避免了传统的导航和屏蔽问题。在拍摄过程中，同步速度、高度、方向重叠、坐标等，并对倾斜图像进行分析，为用户提供真实、直观的真实场景信息。无人机倾斜摄影测量具有以下特点。
        ①起降方便:无人机起降环境要求低，不需要专用机场，可在广域内遥控分离或脱离;
        ②低空飞行:无人机飞行高度低，飞行高度200～2500米，天气影响小，工作效率高;
        ③高分辨率:安装在无人机平台上的数码相机可以达到厘米级的高分辨率;
        ④建模效率高:无人机摄影技术自动化，可实现视频数据采集和高速三维建模。
        3无人机倾斜摄影技术在城市三维建模中的应用
        3.1无人机数据获取
        文中以常州市经开区丁堰幼儿园实景三维建模项目为例，测区北侧为漕上路，东侧为东城路，南侧为丁剑路，西侧为待开发空地，测区范围总面积约0.2平方公里，测区内地势较为平坦，主要由建筑、园林、水体和绿地组成。中央子午线为120度。
        该项目采用大疆M300多旋翼无人机配备倾斜机，使用A2飞控进行导航和控制，传感器采用索尼α6000微单，镜头使用16mm焦距，采用空中飞行高度200米，航拍分辨率0.02米。测量区域的通道沿直线布置，并且通过平行于测量区域边界的第一和最后路径的侧照相机获得测量区域的有效图像。为了保证无人机航拍图像的质量，无人机每架次飞行都增加了航道和各分区的照片数量，使航道重叠不低于80%，横向重叠不超过60%。
        3.2数据处理技术流程
        利用智能三维专用软件对采集到的数据进行分析，在没有连续多边形图像的情况下生成高密度点云，并将纹理自动映射到相应的模型上，快速生成具有真实图像纹理的城市三维场景。
        3.3视频预处理
        无人机拍摄完成后，对获取的图像质量进行检查，检查内容包括图像质量、文件格式、图像重叠程度、图像变形、POS信息与图像的对应关系等。另外，为了保证图像整体色彩的审美需求，需要对原始图像进行统一的颜色处理，并保证整个测量区域内视频数据的整体颜色一致，且单个照片不存在偏差。

        3.4空三加密及实景三维模型构建
        基于智能三维专业平台，将区域网与多视觉图像进行协同平差，结合POS系统提供的多视觉图像的外部元素，从粗糙度出发，采用精确的金字塔匹配策略，为每一类图像获取相同的名称点。采用图像自动匹配技术，自动匹配全图中同名点坐标，生成相应地类的密集点云数据，准确表达该区域的目标细节。基于点云数据，建立三角网模型，对三角网进行优化，调整原三角网与原始影像的比值，分析连续曲面的变化，对相对平坦区域的三角网进行简化，减少数据冗余。使用空三加密软件在图像之间创建三角形关系，生成三角形，并利用tin构造白模式，并从图像中自动获取处理。将相应纹理修改后的图像纹理赋予相应的白模式，最后生成测量区域的真实场景三维模型。
        3.5精度分析和效率比较
        通过五点法设置图像控制点，在测量区域周围设置图像控制点，并且在测量区域的中间位置设置图像控制点。为了评价无人机倾斜摄影测量建模的准确性，在测量区域内均匀选取12个特征点。控制点和检查点以城市车道系统为基础，采用GPS-RTK进行现场测量，测量车行道特征点坐标，将检测点坐标纳入三维模型，将测量数据与实测数据进行对比，检测精度见表1。利用表格数据，平面误差为0.05m，最小平面误差为0.03m，最大平面误差为0.07m，高程误差为0.25m，其中最小高程误差为0.06m，最大高程误差为0.32m，由此可见基于无人机倾斜摄影测量的三维建模精度真实可靠，完全满足工程要求。
        在工作效率方面，一架无人机每天能进行多架次空中拍摄。本项目中外业数据采集时间只需要0.5天，其余工作由计算机自动处理和内部操作员手动完成，整个数据处理和简化工作大约在2天内完成。传统的三维建模包括数据采集、建模、纹理图像和模型绘制，整个项目将要耗时7天。对比分析表明，采用无人机倾斜实景三维摄影测量技术的三维建模明显缩短了工作周期，大大提高了工作效率。
        总结
        基于无人机倾斜实景三维摄影测量技术的城市三维建模是一个集数据采集、处理分析、三维建模、数据管理于一体的复杂过程。在本项目中，运用无人机航测技术的智能三维专用软件，通过分段网络关联划分技术，建立该区域的三维实景模型，通过多重纹理的快速匹配技术，快速匹配建筑纹理。实验结果表明，该方法自动化程度高，有效地提高了工作效率，降低了生产作业成本，可以快速实现城市三维景观可视化，满足城市三维造型的需要。在当前提倡数字城市和智能城市建设管理方面，将为数字城市和智能城市的空间框架数据采集提供新的解决方案和方向，未来的应用将更加广泛。
        参考文献
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