倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析

周杰,詹晓敏

摘要：随着民用无人机技术的成熟，使用无人机搭载高清摄像机进行航测在各行业得到了推广使用。从拍摄方式上来看，倾斜摄影可支持多镜头、多角度拍摄，相比于竖向拍摄能更加详细地描述和恢复地物细节，因此基于倾斜摄影获得的影像数据制作的实景三维模型精度更高。基于此，本文将对倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状进行分析。

关键词：倾斜摄影；三维建模；无人机；摄影测量

1 倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状

倾斜摄影测量技术倾斜摄影是指在飞行平台上挂载多镜头相机，从空中对地面进行多角度、全方位、高分辨率影像数据采集。飞行平台通常是有人机、无人机等，目前主要以无人机为主。多镜头相机主要有2镜头摇摆相机、3镜头相机、5镜头相机甚至更多镜头，这里以5镜头为例对多镜头的组成进行讲解。5镜头相机由1个下视相机和4个侧视相机，通常侧视相机与下视相机夹角为45度。航空摄影测量中，相机焦距、飞机飞行的相对航高、相机的像元大小和地面影像分辨率满足以下关系：H=f*GSD/a（1）其中，H是相对航高，即飞机距离地面的高度，在航线规划时已经规划好的，单位为m；f是相机焦距，在相机选择后，其焦距基本上是一个定值，单位为mm；GSD是获取的影像地面分辨率，该值主要根据项目要求进行设置，单位为m；a是像元大小，相机选择后，该值不会再发生改变，单位为mm。通过式（1）可以看出，当相机被选定后，即f和a是固定值，地面影像的分辨率GSD只和相对航高H有关。

2 倾斜摄影实景三维建模技术及其应用

2.1 密集匹配

虽然稀疏点云可以提供构建实景三维模型的数据，但是模型清晰度、纹理等方面还存在很多缺陷，因此还要对稀疏点云中的同名像点做密集匹配处理。尤其是采用倾斜摄影方式获得的数据，因为拍摄角度的原因，影像资料的投影变形大、地物之间相互遮挡的情况较为常见，需要对影像中的特征点做特殊处理。方法如下：利用特征点建立三角网，每个独立的三角形代表一个独立区域，并对同名三角形进行独立的仿射变换。这样每个同名三角形中，每个顶点都可以提取出1个同名特征顶点，将三角网中所有三角形按照上述方法完成仿射变换后，可以得到一个由同名特征顶点组成的旋转矩阵。利用该矩阵对三角形内的点进行像素点匹配，如果匹配相似度达到标准值，则为同名像点，利用该方法可以寻找更多数量的同名像点，从而提高实景三维建模的精度。

2.2 空三测量

在稀疏匹配的基础上，可以参考影像中所有同名特征点的配对结果进行相对定向。使像点、地物点、投影中心三点一线，保证同一地物点上的不同影像，产生的像点均满足共线条件；而2条以上的同名光线，与摄影基线之间应满足共面条件。在此基础上，利用共面方程可以计算出无人机相机拍摄影像时的坐标位置和拍摄角度。基于这两项数据，反推出影像在像空间辅助坐标系下相对的外方位元素，从而实现相对定向。定向完成后，继续选择当前数字地图上的特征点，将其作为控制点，根据每一个控制点的坐标，在对应的地面摄影测量坐标系上标记出来。

2.3 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。

2.4 竣工测量

倾斜摄影实景三维模型具有高精度、高真实感、全方位感知的特点，其在规划竣工测量项目中用途包括竣工地形测绘、绿化测量、楼高测量及建筑物退距核实等。实际应用过程，一类建筑物角点要求平面中误差在±5cm以内，部分扭曲变形较大的建筑角点采集时，需调用绝对定向后的多角度原始航片辅助进行采集才能确保精度要求。

2.5 网格化处理

为了使构建的实景三维模型符合人眼的视觉习惯，还需要在影像数据密集匹配的基础上，对密集点云做三角网格化处理。其步骤包括：a.在已经完成的三角网上进行网格初始化，使相邻三角形的边界清晰，得到若干个元三角形；b.基于最优点位于网格生长方向的约束条件，使用Delaunay算法对元三角形做网格化处理，进行网格生长，可以获得真三维网格；c.对真三维网格进行检查，如果发现存在空洞，则使用Delaunay算法予以修补，所有空洞修补完毕后可以得到最终的网格模型。

2.6 纹理映射

网格模型基本上能够呈现出测区地物的真实景象，但是在一些细部纹理上还有一定的改进空间。尤其是在阴影部分，可能会存在边界模糊、内容覆盖的情况，因此还需要对网格模型做纹理映射处理，使实景三维模型的真实感更强。纹理映射的步骤包括：a.基于影像坐标系和纹理坐标系之间的对应关系，从纹理坐标系中，找出与影像点对应的纹理坐标；b.借助于共线方程，将上一步骤中所得的纹理坐标，与三维模型建立对应关系，从而实现二维影像向三维模型的转换；c.将纹理信息添加到三维模型的表面，让三维模型具备更加真实的视觉效果。

2.7 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。

2.8 内业处理

外业航拍完成后，第一时间检查像片质量，确认有无漏片、有无云影遮挡、快拼影像有无明显模糊、重影或错位现象，并对有问题的区域及时进行补飞。将检查完成后的像片导入到三维实景建模软件Cont-extCapture中进行数据处理。软件通过多视影像密集匹配、自由网空三、像控点判刺及绝对网空三解算等一系列步骤后完成数据处理。其中除了像控点判刺需要人工干预外，其他步骤皆由软件自动完成。

2.9 城市三维建模

随着智慧城市、数字孪生城市建设的不断推进，城市三维建模需求与日俱增。目前城市三维模型大部分为三维仿真模型，主要利用三维激光点数据结合已有矢量数据全人工方式进行生产，具有生产成本非常高、模型真实感不高、精度有限等不足。倾斜摄影实景三维建模其高真实感、高效率及高精度的特点，为城市三维建模提供了技术补充，有效地解决了项目生产周期、成本控制等方面的问题，但实景三维模型数据类型为Mesh模型数据，不具备矢量数据的点、线、面特征，为满足更多元化的GIS应用需求，需利用其他软件进行建筑单体化。

3 结束语

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。目前，倾斜摄影三维建模技术应用于房地一体、三维实景规划设计、三维变化检测、土方量计算等行业领域。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]李振,罗继先,马晓元.油田站场改建工程实景三维建模技术研究及应用[C]//.2022年石油天然气勘查技术中心站第29次技术交流研讨会论文集.[出版者不详],2022:208-211.DOI:10.26914/c.cnkihy.2022.031475.

[2]李鹏,马建芳,张永庭.实景三维技术在市政亮化工程量核算中的应用[J].测绘通报,2022(S2):273-276.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0602.