张鑫鑫
天津市测绘院天津市西青区300381
摘要：随着科技的不断进步，无人机技术、倾斜摄影技术以及三维建模技术也在快速发展。目前，利用航摄影像进行空间变化监测的应用已经比较普遍，尤其在监测城市更新方面已经有成熟的技术方法，但是仍无法解决监测建筑物高度变化的问题。而倾斜摄影三维建模支持三维浏览、量测，包含完整的空间信息，是真实世界的直观表达，在城市建设、工程监测等方面的应用愈加广泛，优势愈加明显。本文就基于无人机倾斜摄影的快速三维建模方法展开探讨。
关键词：无人机；倾斜摄影；三维建模
引言
三维城市运用描述城市地上景观的三维模型来表达数字城市空间信息，是表达城市信息的重要载体，对城市规划、建设、管理和应急响应有着及其重要的作用，三维城市已经展现出其较高的经济价值和应用潜力。传统的三维城市模型生产制作是结合遥感影像图和地形图，得到精确的、可靠性强的建筑物模型、道路模型及其他景观小品模型，将组成城市要件的各类三维模型集成为三维城市场景。这种方法适合于普通精度的三维城市建模，但是对于高精度、高仿真、大区域的建模，传统方法势必需要投入更多的作业人员，其建模速度、效率以及时效难以满足三维城市的应用。
1无人机倾斜摄影测量发展现状
在国外，无人机通常会加载高精POS，后期数据处理自动化程度高，但购买费用较高。在国内，早期的无人机倾斜摄影测量技术主要用汽油机动力固定翼无人机搭载非专业航测相机进行，例如利用佳能5D等进行航拍，主要用于DEM、DOM以及区域范围DLG的生产。随着无人机技术迅猛发展，电动固定翼、多旋翼以及动力三角翼等新型低空飞行器逐渐应用于测绘行业。倾斜摄影测量系统在国外发展较早，例如天宝公司的AOS系统等，主要基于大飞机采用专业的航空倾斜相机进行航拍，获取地面多视角的影像信息。在国内，刘先林院士团队率先研发出的SWDC－5是国内第一台专业航空倾斜相机。当前，将无人机技术与微型倾斜摄影技术有效结合进行低空无人机倾斜摄影测量已经成为新兴的研究热点。例如，北京红鹏天绘科技有限责任公司研发的微型无人机倾斜摄影系统可以对特定区域进行快速三维建模，并为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务，提高了精细三维数据灵活快速的获取能力。在无人机倾斜摄影数据后处理方面，国外软件的自动化程度较高，例如法国像素工厂的PixelFacrory等；国内较为成熟的软件有PixelGrid、DPGrid等系统以及武汉航天远景科技有限公司的DATMaxtrix，均支持无人机影像数据，可以进行空三加密和后期4D产品生产。目前，基于无人机倾斜影像进行快速三维建模的软件，国外主要有空客防务与空间－地理信息公司的StreetFactory，法国Acute3D公司的Smart3D等，它们通过导入相关原始数据即可自动生产三维模型；而国内目前尚无该类全自动建模软件，但有很多积极有效的实践，例如武汉天际航信息科技有限公司开发的DP－Modeler可实现基于倾斜影像的高精度手工建模。
2基于无人机倾斜摄影的三维城市建模方法分析
中国、美国及欧洲部分国家正在开展基于无人机倾斜摄影测量技术的三维城市模型生产和应用，对于城市三维建模，无人机倾斜摄影测量技术有以下优势：（1）无人机机动性强、成本低，能够满足多种尺度的摄影测量数据采集；（2）能够快速处理大范围场景的倾斜影像，建立具有高精度的真三维模型；（3）高分辨率影像自动贴图，提高三维模型的生产效率；（4）可量测、可定位的三维模型，模型数据直接进行网络发布和共享应用。无人机倾斜摄影测量技术利用航空影像快速数据获取方法，一次性处理多幅影像，建立区域初始实景三维模型，该技术能够节约大量人工建模时间成本，提高三维城市发展的效率。利用无人机倾斜摄影影像进行三维城市模型生产流程如下。在实际的生产处理过程中，受无人机等设备、大气环境及软件算法影响，实际模型会有一定的畸变和错误，引起视觉误差和应用障碍。主要的模型畸变及原因有：（1）无人机姿态变化和颠簸影响影像重叠度、几何畸变等，造成模型凸包、破洞等；（2）大气环境噪声引起的模型飞面、凸包等；（3）不同时段光照引起的模型纹理不均匀、破洞等；（4）像主点落水而引起的水面缺失等；（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型边缘平滑等。引起模型缺陷的原因是多样化、复杂的，这也是当前阶段下基于无人机倾斜摄影测量技术进行三维城市建模所面临不可避免的问题，采用无人机倾斜摄影测量技术快速、高效生产三维城市模型并提高三维城市模型质量是亟待解决的问题。
3三维数据处理
无人机倾斜摄影后期处理采用ContextCapture软件对采集的数据进行三维建模。倾斜摄影建模采用高精度、高效率、一体化的自动建模技术，建立测区三维模型。该技术集倾斜摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于一体。（一）工程建设的数学基础。数据采集的坐标系统采用WGS84坐标系，三维模型数据采用以测区几何中心为原点的ENU（East-North-Up）坐标系统。（二）多级分辨率融合三维自动建模流程。（1）无人机数据采集与地面数据采集同步进行。（2）采用ContextCapture软件，结合影像的外方位元素，进行全自动空三解算。（3）同时利用无人机与地面采集的影像数据，采用智能人工交互技术将数据进行融合，生成一体化的三维模型。（4）以测区几何中心为坐标原点，设立ENU（East-North-Up）笛卡尔坐标系，将模型按照该坐标系进行切分和输出。（5）对数据生产过程中的重要环节进行检查控制，直到其符合项目成果质量要求。（6）数据成果输出成可浏览格式S3C和标准OBJ文件。
4优化方法的建模实践
利用上述基于无人机倾斜摄影测量成果的城市三维模型质量优化方法，我们在试验区进行了三维城市建模的实践和验证。该项目结合无人机倾斜摄影测量技术和传统建模技术的优点，利用无人机低空飞行采集目标物顶部高清序列影像，解决了倾斜摄影实景模型细节补充和精细建模的问题，丰富了建模数据采集的手段，满足了项目对各类数据精度的需求。
5建模过程中存在的问题及建议
采用Smart3D进行三维建模，其自动化程度较高，但生成的三维模型会存在一些错误需要修正：如部分模型边缘细节表现不够准确；个别地面、水面及建筑物侧面纹理缺失；部分地形存在变形并与实地不一致（例如道路路面）等。产生这些错误主要是由于多相位影像建筑物遮挡或植被、水面等影像明显特征点较少造成同名影像匹配较少，从而影响DSM精度和切片纹理的缺失和错位造成的。针对这些问题，需要将有问题的模型进行修正。常用的修正方法是：①通过Smart3D的模型修正功能对几何模型或贴图进行修正，之后再导入对应的瓦片并重新针对新导入的几何模型自动重新生成贴图，或者直接导入包含修正贴图的模型进行下一步数据生产导出（也可以将模型导入第三方建模软件进行修补处理，例如可以导入DP－Modeler对自动建模成果进行精修）；②对建筑变形部分进行修补；③对地面上部分模型进行精细重建；④对非单体模型进行单体化并挂载属性信息，使其达到后期三维GIS的应用要求。
结语
随着建模范围的增大，倾斜摄影技术快速的倾斜影像采集和自动化空三使得其在建模的效率上具有强大的优势，加上无人机灵活、机动、快速、经济等特点，以无人机作为倾斜摄影平台的快速三维建模技术值得大力推广。该技术将在海事测绘尤其是应急测绘保障、海岸资源开发、港口建设与海洋工程监测等方面有着广阔应用前景。
参考文献：
[1]薄正权，张宇.倾斜摄影在长春市城市建模中的应用[J].城市勘测，2016（3）：93-96.
[2]沈大勇，蒙印，朱桂海，等.倾斜摄影实景三维悬浮模型删除技术研究[J].测绘技术装备，2016（3）：5-7.