基于倾斜摄影测量技术构建三维模型

巨迪雯 何龙 韩俊扬 刘秋燕

摘 要 倾斜摄影测量技术的应用契合市场对三维仿真度的要求，同时如何高效率的获取高质量倾斜影像也是技术实现的难题，本文对比研究后选取八旋翼无人机搭载小型五拼航摄仪得到较好的初始数据，实现基于倾斜摄影测量技术下快速建模的应用。研究搭建自动实现web端三维模型可视化一体的平台，使模型在网络上对不同用户进行共享。

【关键词】倾斜摄影测量 五拼航摄仪 三维建模 自动化平台

1 引言

数字城市的提出，将人们对地球的探索引向三维的表达方法。随着社会对地理信息精度和可视化要求的增高，原有基于高程和地物顶部信息合成三维模型的手段不能满足更高层次的需求。近年来提出的倾斜摄影测量技术，通过多角度倾斜拍摄，获得地物侧面纹理信息，达成大规模构建高仿真、高精度三维城市模型，很大程度上提高仿真三维建模的可操作性，进而得到广泛的关注和推广。在传统分别搭载五个传感器实现倾斜摄影测量的方法上，本文提出轻小型五拼传感器与便携旋翼无人机结合的处理方式，使弥补、完善后的飞行器将用于更广阔的领域，如城市规划管理、应急指挥、旅游产业等方面。不同领域对三维模型的需求，使三维模型在提出后。三维模型在不同方面的应用，使更多人感受到三维模型带来的便利，大众对三维模型脱离软件走向浏览层面提出了迫切希望，本文基于Cesium地图引擎将三维模型在客户端浏览器中显示，为用户提供标记，量测，查询定位，模型加载等功能。

2 倾斜摄影测量概述

2.1 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。拍摄相片时，同时记录航高、旁向重叠度、GPS坐标数据等，为后续三维建模的分析整理提供有利条件。

2.2 倾斜摄影技术特点

将无人机倾斜摄影测量技术应用于构建三维城市，具有以下特点：

2.2.1 可操作性强

获取数据途径简便快捷，后续无需作业人员再次现场拍摄；数据处理主要通过计算机软件解算，自动化程度高。

2.2.2 三维模型更接近真实场景

相比于只从垂直角度拍摄的正射影像，大量倾斜影像可提供建筑物多角度纹理信息，补充地物的侧面细节，使建模效果符合人眼真实场景，弥补了人工建模仿真度低的缺陷。

2.2.3 成本低

在相同的拍攝时长中获取五倍数据，大量数据为批量进行特征点提取和同名点匹配提供先决条件，缩短节省建模时间，节约劳动力成本；直接获取建筑物多面信息，减少航拍次数，降低仪器损耗。

2.2.4 具有较大的视场角

增添倾斜角度的航摄相机后，可根据倾斜摄影相机安放角度不同，可适当调节视场角。

3 倾斜摄影测量数据获取

3.1 仪器介绍

3.1.1 八旋翼无人机介绍

无人机技术广泛应用于农林，军事，环境资源监测等领域，复杂多变的地形为数据的采集增加难度，对比于固定翼无人机，旋翼可拆方便携带，且一定程度上可以克服起飞场地的限制；面对纹理繁多的地物，可进行空中悬停，延长数据获取时间，大大提高工作效率。相比于四、六旋翼无人机，八旋翼无人机具有完整的驱动系统，在情况多变的野外具备动力系统双发失效时飞行器可控。考虑到在救灾、植保等方面的负载需求，不考虑上下叠层的四轴模式，选取具有八轴的动力系统，增加标准载荷。

3.1.2 五拼航摄仪

倾斜摄影测量技术需同时搭载五个传感器。它是在下视相机的基础上增加前视、后视、左视、右视4个倾斜相机，通过固件结构连接在一起形成的一个刚体，5个相机在摄影时达到同步曝光。不仅空间上得到充分利用，而且在性能上达成多台相机的统一控制、存储同步、与无人机一体化供电，避免装置准备和数据提取工作的重复。单相机均采用SonyILCE QX1，焦距为35mm，传感器分辨率为5456×3632，2010万像素，像元尺寸4.2um，单相机存储容量为16 GB，可存储2000张影像。

3.2 实验

3.2.1 测区概况

测区定于天津师范大学，位于天津市西青区西北部，西部与天津工业大学紧邻，东部与天津理工大学接壤，学校占地面积3500亩、建筑面积84万平方米。地理坐标位于东经E117°06' 46"-117°07' 34"，北纬N39°03' 12"-39°04' 14"。

3.2.2 航带设计

采用五拼摄影仪进行倾斜摄影测量。航摄平台在相对航高约300m的情况下，获取下视地面分辨率0.36m的影像，旁向重叠度80 %+，航向重叠度80%+。

3.3.3 数据处理

如图1所示。

倾斜摄影测量初始数据受各方面因素影响极大程度上降低了模型精度，其中受天气影响造成的色差、受倾斜角度拍摄影响产生的几何畸变干扰尤为显著。所以本实的验数据预处理主要包括色差调节和几何校正两部分，利用photoshop完成色差调节；利用两个不同倾斜角度放置平行栅，找到成像系统的对称中心，最小二乘法求出系统畸变参数的方式进行畸变校正。预处理后的大数据基于Smart 3D软件进行空三加密，其步骤主要分为将控制点数据、POS数据、影像区块导入，删除3D view中飘离点，设置影响特征点选取的参数，进行连接点（即特征点）提取和匹配等。在连接点匹配时结合控制点数据可反向解算出外方位元素，得知每张图片的空间位置关系。通过空三加密点构建不规则三角网结构，加上真实纹理映射，实现接近真实场景的三维建模。

4 系统搭建

4.1 平台功能

Cesium是一个基于向对象的JavaScript语言编写，使webGl进行图形渲染的地图引擎。利用Cesium开展平台，创建三维虚拟地球，为用户提供标记，量测，查询定位，模型加载等功能。

4.1.1 标记

Cesium提供两类API，其中Entity API可绘制空间数据如点、标记、标签、线、3D模型、形状、立体形状（volume），基于此类可满足用户对某一地区标记画线设置放置特殊几何图形的功能。

4.1.2 测量

用户能通过量测功能进行对地图上绘图线段与多边形面积的量测，即一种空间面积量测的功能。通过Cesium Math类中封装好的方法即可实现。

4.1.3 查询定位

Cesium中的Geocoder控件支持经纬度定位。通过Geocoder对已知的经纬度进行查询，控制视口照相机的镜头实现画面转换。操作相机的方法有很多种，其中用户可通过zoom to 直接定位、fly To动画转移等方式跳转镜头进行定位。

4.1.4 模型加载

对于以往基于正射影像生成的三维模型可直接通过cesium js实现三位模型的加载。基于倾斜摄影测量技术构建的三维模型数据增加了信息量大量大、规模大等技术难点，为实现Web环境下批量三维模型数据的加载，Cesium新增支持二进制格式的3D-Tile数据的功能，可将Smart 3D 中构建的三维模型数据转变为3D-Tile格式，利用Cesium中3D-Tile分支对倾斜摄影测量模型加载。

4.2 平台实现

平台包括数据层，服务层，客户层。数据层放置属性、空间等初始信息。服务层中分为数据进行处理、建模、模型数据格式转换等模块，将不同的模块看作独立的单元，增设简明、容易的进入接口，提供函数级别的复用，以外接库的方式插入服务层。采用混合云存储技术实现对数据层和服务层中各种类型的海量数据管理，将数据分别放置于私有云、公有云达成信息安全的维护。客户层基于cesium实现三维模型在浏览器中的可视化表达。根据平台系统的分层设计原则，采用B/S结构，将系统庞大的功能核心集中于服务器上，客户只需安装浏览器实现应用功能，如图2、图3所示。

5 结语

通过上文论述可以看出，基于倾斜摄影测量技术，批量处理倾斜影像构建三维模型，简化了原有的技术手段，丰富地物信息。将此復杂多变的过程搭建为一体化平台，使建模工程趋于自动化。综上，该平台在完成的基础上实现模型可视化，基本达成现代社会对三维表达全方位要求，但平台中仍然存在明显不足。如本文对天津师范大学进行实验的成果中，部分水面明显无影像贴合，局部建筑几何扭曲。所以该平台数据处理技术，仍然需要不断改进、完善。

（通讯作者：何龙）

参考文献

[1]刘增良，杨军，张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J].北京测绘，2009（02）：1-3.

[2]孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘，2014，37（01）：18-21.

[3]冯茂平，杨正银，张秦罡.基于小型多镜头航摄仪的无人机倾斜摄影技术在实景三维建模中的应用[J].测绘通报，2017（S1）：5-7.

[4]张全法，何金田.提高广角成像系统几何畸变数字校正精度的方法[J].光学技术，2001（03）：242-246.

[5]朱栩逸，苗放.基于Cesium的三维WebGIS研究及开发[J].科技创新导报，2015，12（34）：9-11+16.

作者简介

巨迪雯（1996-），女，四川省成都市人。大学本科在读，天津师范大学地理与环境科学学院地理信息科学专业。主要研究方向为地理信息科学。

何龙（1989-），男，河南省商丘市人。理学硕士。天津师范大学地理与环境科学学院助理实验师。主要研究方向为地理信息系统应用与开发。

作者单位

天津师范大学地理与环境科学学院 天津市300000