摘要：无人机倾斜摄影技术的建模效率相较于传统人工建模手段得到很大提高。基于无人机倾斜摄影测量三维建模及精度评价和无人机倾斜摄影三维建模和应用，采用此方法进行建模，虽然该技术可以快速高效地获取目标物的影像数据，实现真实完整的三维实景重建。但由于飞机作业模式的自身限制，目标物下部及内部的数据信息无法完整获取，当目标物结构复杂或地面遮挡严重时，基于无人机倾斜摄影技术构建的三维实景模型，在底部及遮挡区域容易发生模型扭曲、变形、空洞等问题。三维激光扫描技术属于非接触式测量技术的一种，激光扫描目标物表面获取其三维点云数据，通过逆向工程利用采集的点云数据构建目标物表面所对应的曲面。本文主要分析基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究。

关键词：三维实景;无人机倾斜摄影;三维激光扫描;实景融合;模糊综合评价

引言

随着社会经济的不断发展，三维实景模型作为三维空间信息数据在诸多领域中都发挥了至关重要的作用。相对于二维模型，三维模型可以真实地还原目标物全貌。因此，对三维重建技术进行深入研究具有重要的理论与现实意义。近年来，各种新的建模技术层出不穷，但是通过大量研究可知，单一技术建模都有其自身的局限性。

1、倾斜摄影三维建模

随着无人机技术的飞速发展，倾斜摄影测量技术逐渐受到广泛的关注，尤其是在创建三维实景模型方面，具有重要的工程实践意义。在多旋翼无人机上搭载多台相机，可以从多个角度拍摄图片，一次获得被拍摄物体完整的轮廓和纹理信息。弥补了传统航空摄影模式下，只能通过一台相机获得单一的垂直影像的缺点。无人机倾斜摄影技术的基础是传统航空摄影技术，但与传统航空摄影技术相比，该技术能较为全面、清晰且高精度地感知目标物的复杂场景，其获得的数据成果也能更加真实客观地反映目标物的实际情况。与此同时还能获取目标物的绝对位置、高度等属性信息，保证目标物成果的真实性及精度。一般而言，采用传统人工建模的方式对一个中小城市进行模型构建至少需要一到两年的时间才能完成，而采用无人机倾斜摄影技术则只需要三到五个月的时间，大大缩减了数据采集及模型生产的时间周期和经济成本。无人机倾斜摄影三维建模主要按照以下几个步骤进行：首先要捕捉数据，再进行区域网平差;然后将倾斜摄影获取的多视影像进行密集匹配，并提取出点云数据。最后进行纹理映射生成实景三维模型。其中，对最终三维建模精度影响最大的就是数据的捕捉，而数据捕捉的核心就是要建立合理的像控点布控。目前像控点布控方式主要有边缘平高设控、中心平高设控、全面平高设控、边缘平高及中心高程设控。但在实际运行过程中，平高设控和中心高程设控的方式更具有优势，这类方法的经济性更好，进行优化后能进一步提高三维建模速度和精度。图1为基于倾斜摄影技术建立的三维模型，三维模型的整体轮廓较清楚，其中模型静止部分优于动态部分，平坦部分优于凸起部分。由于此次试验飞行测试高度较低，拍摄图片较清晰，无破洞现象。当无人机航拍时遇到被拍摄物体内部及底部影像信息无法获取时，会导致最终三维模型出现粘连、扭曲等问题，这时需和其他方法进行配合。

2、三维激光扫描

本项目中采用的RieglVZ-6000型扫描仪基于数字化回波和在线波形分析技术，可提供远达6000m的超长距离测量能力，实现水平方向360°、竖直方向60°的广阔视场角探测范围，可在极端天气和困难环境下使用，并进行多重目标回波的识别。为了尽可能多地获取激光点云并保证各站点数据之间的重叠度，本次扫描共架设了5个站点。每站扫描完毕后使用GPSRTK技术测量站点位置坐标。激光点云数据处理主要过程：①单站定位。利用实测各站点的三维坐标和仪器高度，对扫描站点进行绝对定位;在单站数据上进行后视定向，设置反北角后读取角度，完成对激光点云数据的初步定位;②多站点方向校正。在完成单站定位后，会发现拼合后的各站数据之间存在分层错位现象，因此还需要对点云数据进行多站点校正，提高点云位置精度。校正处理过程如下。对各站点数据调整罗盘方向，调整Z轴转向并查看分层处变化，直至两站点云大致贴合。校正时将三维坐标锁定，只放开方向角，设置搜寻半径（一般为0.5～1m，视站点数据差值大小进行调整）进行分析计算，判断残差分布情况。经过多次校正后，若残差符合要求，即可完成多站点数据的方向校正，此时点云分层现象消失。如果误差计算显示残差始终超限或偏大，需检查单站点数据定位是否有误。

3、种建模方法对比

无人机坡率摄影测量得到广泛应用。坡度图像可以最大限度地提高三维模型的真实性、准确性和建模效率。它在三维建模生产中具有自动化程度高、成本低、操作范围广等优点。但是，生成的信息具有高度冗馀，建筑纹理易受拉伸变形和树着色的影响。从上面看，道路、房屋和树木的轮廓清晰，纹理真实，但从侧面看，由于拍摄角度的闭塞，有些地方存在漏洞、斑点和模糊等问题。因此，基于倾斜摄影技术的三维建模更适合于低精度的大规模三维建模，而不适用于超薄三维建模。基于三维激光扫描技术的三维建模不易受天气条件的制约，具有更高的数据采集效率、更好的实时性以及更高的建模精度和自动化，能够有效地解决模型模糊和歧义问题。激光点云创建的三维模型具有清晰的轮廓和直观的功能，能够真实地反映地面对象的状态，适用于复杂情况下的建筑优化三维建模和三维建模。但该方法成本高、数据量大、建模软件要求高，不适合数字城市建设过程中大型公共建筑的三维建模。

4、合建模流程设计

三维激光扫描以特定角度扫描地面，直接获得曲面对象的三维曲面坐标，形成激光点云数据。坡率摄影测量使用安装在无人驾驶飞机平台上的数码相机，从空中的不同角度拍摄表面物体的图像，获得图像数据，然后根据多视点图像对表面上相同点的坐标进行密集匹配，快速获得表面上的三维数据。其数据格式通常为JPG和其他图像格式。相应的软件平台采用空间三重加密和图像匹配算法，自动匹配所有图像的同构点，并从图像中提取其他特征点，形成密集的点云。由于大量点云数据是在密集匹配过程中生成的，因此它可用于合并三维激光点云和倾斜摄影、密集点云。地面上三维激光点云的高精度可补偿近地面倾斜摄影的低精度，而空无人机倾斜摄影可补偿三维激光顶扫描的死角和图像拍摄缺乏宽视角。通过将这两种方法中的点云合并，然后进行三维建模，可以实现三维模型的总体精度较高，并解决了倾斜三维摄影建模中局部开花和地面效果的问题。同时，三维激光扫描可以采集地面特征点的三维坐标，从而避免了倾斜摄影测量领域图像控制点的排列，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，实现了“办公室测绘”。三维激光扫描与斜照摄影相结合，实现了无人驾驶航空器航迹图像与地面三维激光点云的“空对地结合”，获得了无死胡同全方位表面物体的完整表面坐标信息，从而实现了高精度的三维建模。

5、融合建模工程实施

5.1地面激光扫描及数据处理

一般来说，通过地面三维激光扫描控制和测量获得真实地理坐标有两种方法：第一，在已知控制点设置一些站，在扫描前将其居中并平整;第二，扫描时，将次扫描目标用作室内点云处理的控制点。一般来说，获取目标坐标有两种方法：在已知的控制点上定位目标;在已知点建立全站仪，并使用全站仪收集目标坐标。对于带有外部全球导航卫星系统设备的三维激光扫描仪，测量站的坐标可以直接从外部双频全球导航卫星系统接收器中获取。当三维激光扫描仪在无惯性导航系统的现场扫描中工作时，必须确保两个工作站之间存在明显的公共曲面，以确保不同工作站的点云可以在现场编辑中通过公共曲面进行拼接。本项目使用的Riegl-VZ400i是一种具有内置惯性导航系统的三维激光扫描仪，它可以在站内移动时记录仪器的位置和位置，并在现场扫描时自动拼接，因此只需确保扫描仪每个站的数据能够充分捕获目标特征，从而减少站数并在一定程度上提高现场效率。然后，根据专案需求设定适当的资料载入频率和点云密度，然后按一下以开始扫描。

5.2无人机倾斜摄影实景三维建模

测量区域底部的数字曲面模型（DSM）可以从地面激光扫描数据中高精度、高精度地重建，而扫描盲区位于测量区域高度，尤其是在建筑物顶部，地面激光扫描数据的相对纹理畸变很严重。无人机倾斜摄影是一种空气多角度开销摄影，其多视角图像纹理具有高真实感和高分辨率的特点，能够有效地弥补地面激光扫描技术的上述不足。为了实现两者的最佳集成，无人机倾斜摄影三维建模的各个阶段应严格按照预设参数和标准进行，包括航路设计、图像控制布局、多视图图像的空间加密和密度匹配等。（1）航路规划要求（1）航路必须按照勘测区的主要方位和日照设置进行布置，并以“井形”形式布置，以确保航路方向尽可能与勘测区的水平和垂直方向一致。布线布局应考虑地形和环境因素的影响，并确保布线的地形高度和延伸方向不会影响飞行安全高度。（2）为了确保建模效果和准确性，从不同角度拍摄的多视图图像的地面分辨率必须优于2厘米，布线历史重叠度不得低于80%，横向重叠度不得低于70%。（3）为确保拟拍摄区域的完整性和纹理清晰度，须将8 ～ 10条基线延伸至调查区域边界以外，并将3 ～ 5条路线延伸至调查区域边界以外;航线的相对飞行高度应至少比射击场的最高点高出50米。（2）图像控制点的布局要求：（1）图像控制点必须位于测量区域内的角点上，控制点必须均匀分布在其他区域，且点之间的距离介于250米至300米之间。（2）充分利用地形和现场地形特征来布置点。并在交点处布置清晰明显的基本特征、具有良好剖面角度的线性基本特征以及突出的基本特征，如斑纹条纹直角点、道路终点以及颜色和纹理变化的边界点等。（3）图像控制点应尽可能布置在表面上，在特殊情况下也可布置在平面结构的角上。

结束语

针对现阶段无人机倾斜摄影建模技术和地面三维激光扫描建模技术的局限性，提出一种基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模方法，对同一目标采用两种测量方式，先分别获得信息，再对获得的信息分别进行点云数据处理和数据融合处理。最后给出利用点云的高精度配准建立的实景三维模型，从构建的三维实景模型和对比数据结果看出，所提三维实景融合建模方法的有效性。

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作者简介

姓名：肖媛（出生年-）1973年8月，性别：女，民族：汉，籍贯：湖南省隆回县，职称：测绘高级工程师，学位：硕士，主要研究方向：航空摄影测量，三维倾斜摄影测量，数据库建立，基础测绘4D产品生产，数据质量检查