倾斜摄影技术在大面积城市三维建模中的应用

王星，朱云，张旭，李新锋

(山东正元数字城市建设有限公司，山东 烟台 264670)

1 引 言

目前，随着三维实景重建技术的快速发展，倾斜摄影在国内正发展得如火如荼，其低成本、高效率的优点为测绘行业的整体发展带来了春天。不仅在城市建筑三维模型重建方面逐渐取代了传统的手工模型制作工艺，表现出强大的优势[3]。而且基于倾斜模型的地形图、地籍图的测图工艺，也基本形成了一套可行的技术方案，而且与传统测图工艺相比也有更加明显的优势[6]。比如，红鹏公司正在推广的综合法地籍测量技术，宣称使用30%～40%的费用，可以完成80%的工作量。

相对于传统的全野外测量成图和航测法成图技术，倾斜摄影测量技术以其“三高一低”(高效率、高精度、高真实可视化、低成本)的优势，能够较好地满足城市大比例尺地形图快速更新对时间和精度的要求。如何才能使基于倾斜模型的地形测量达到要求的精度，主要取决于两个因素：外业控制测量和高分辨率的倾斜模型。

倾斜摄影多使用无人机进行航空摄影，而无人机又分固定翼无人机和旋翼无人机[1]。固定翼无人机具有飞行高度高、续航时间长等优点，其作业效率高于旋翼机。旋翼机操作简单，并且可以进行低空飞行，以此获得更高分辨率的影像。但其单架次作业时间短，多在半小时以内[2]。因此，通常使用多旋翼进行小面积的倾斜数据生产。为了探索和研究基于倾斜模型大面积测图的可行性，本项目采用多旋翼无人机，选取了 15 km2范围进行倾斜模型制作，并对模型精度进行了检测。

2 测区数据获取

2.1 航摄概况

本项目实施区域为荣成市，地处胶东半岛，隶属于山东省威海市。施测范围为荣成市政府及其周边，建筑密度适中。项目设计实施区域为 15 km2，实际航摄范围为 20 km2，具体范围如图1所示。项目采用大疆M600 pro多旋翼无人机，搭载成都睿铂Riy-D2五镜头相机，单个相机像素 2 400万。飞行高度 120 m，航向重叠度80%，旁向重叠度70%，其中正射镜头地面分辨率为 0.02 m。共飞行70余架次，获取照片17万张。

图1 测区范围

2.2 像控点测量

综合各倾斜摄影项目实际经验，本项目设计制作像控点个数为每平方千米15个～20个，像控点均匀分布。再根据数据分块情况，在接边位置增加像控点个数，基本达到每 150 m制作一个像控点。像控点分布如图2所示。

图2 像控点分布示意图

3 实景模型三维重建关键技术

倾斜摄影获取的影像数据相对于传统的航空摄影具有数据量大、重叠度高等特点。因此其处理的算法、流程不同于传统航测，目前在倾斜摄影的处理过程中引入计算机视觉中的多视几何原理，完成空中三角测量、模型重建等过程。

3.1 倾斜摄影空中三角测量

(1)空中三角测量

倾斜摄影的空中三角测量以传统的光束法平差作为基础，在平差过程中引入多视几何原理。以中心投影的共线方程作为数学模型，以求解多视影像的位置与姿态为目的，进而恢复影像数据之间的内在几何关系。其数学模型如下所示：

其中(x，y)表示像平面直角坐标系下的像点坐标；(X0，Y0，Z0)表示摄影中心的空间坐标，f为相机焦距；(X，Y，Z)为空间三维点坐标；(ak，bk，ck)(k=1，2，3)表示由像片的角元素φ，ω，k构成的方向余弦。

(2)区块空三处理

本项目航摄照片数量有17万张之多，整个范围进行一次空三处理，除了耗时长外，硬件设备也很难满足其处理要求。因此，在空三时将测区划分子测区。以子测区内的影像数据作为空三单元进行空三处理。其测区的划分如图3所示，以图3(a)中的范围作为总测区范围，在其测区范围内划分子测区，为了保证测区模型之间的完整度与精细度，如图3(b)所示，在划分测区时要保证具有一定的重叠区域，同时为了保证分区块空三的精度及区块模型之间的拼接精度，需在重叠区域之间布设一定密度的像控点。

图3 空三区块划分

在区块空三处理过程中，以区块内的像控点为基准，进行多视角光束法平差，使区块纠正到像控坐标系下，检查不同区块重叠区域中的相同像控点之间的残差，以达到区块之间的最佳吻合度。

3.2 并行处理

由于倾斜模型的重建数据量庞大，海量数据的解析运算会用到大量计算机资源，而再好的单台计算机也无法胜过多台计算机的集群运算能力，故而借助局域网内多台计算机设备进行三维重建运算，可以节省大量时间。其逻辑架构如图4所示。ContextCapture软件支持多台设备集群运算，在最新一版的软件中，增加了支持空三集群运算的功能，一定程度上缩短了空三运算的时间，特别是在大数据量的情况下，效果尤其明显。

图4 逻辑架构图

3.3 模型拼接

本文以解决大面积倾斜摄影的三维重建为目的，采用由整体到局部的解决思路，以划分后的子测区作为空三单元，进行空三平差、模型重建，并将分块模型进行拼接。首先在区块划分时，在相同重叠区域内布设一定密度的控制点，其一方面增大区域网平差的鲁棒性及精度；另一方面保证了不同区块所对应重叠区域的吻合度。在区块模型提交前设置统一的坐标原点，如图5所示，这种方法减少了区块模型之间的分层，提高了模型拼接的精度。

图5设置统一原点坐标

4 实验结果及分析

4.1 模型重建加人工处理

在模型重建完成之后，会发现有部分模型存在漏洞、破损的情况，通常存在于牌匾、水域等位置。这些问题虽然不能对模型精度产生较大的影响，但是由于这些问题的存在会严重影响模型的视觉效果，因此需要加以人工处理之后，才能恢复原貌[4]。目前行业内人工处理方法有多种，可以使用3ds Max，也可以使用一些逆向工程软件，如Meshmixer。对于水域还可以使用kml约束进行模型破洞的修补[8]。本项目采用3ds Max，对存在问题的部位进行了修改。如图6所示是几处修改前后的对比图。

图6模型修整前后对比

4.2 精度统计

三维模型数据生产完成之后，为检查成果的产品精度和质量，在测区内选取了一块子测区进行相关的精度检测和评价工作。检查方法主要是通过人机交互的方式，在成果数据上选取一定数量的点位坐标，通过与 1∶500地形图相应位置坐标的检测，检测模型平面位置点位精度情况。本次项目通过与该地区现有 1∶500地形图进行坐标对比检验，结果表明模型点位精度符合 1∶500地形图测图标准。

选取子测区范围约3.3 km2，子测区共布设像控点50个，在整个区块范围内进行均匀的检测点位置选择。检测点位置都为房脚点和拐角点，选取模型中清晰可辨的点位置，对于有遮挡或变形较大的位置，则不进行选取。共选取检测点位143个，删除14个大于2倍中误差的粗差点后，其余133个检测点的误差统计分布见表1。经计算，平面位置中误差为 0.050 1 m。

平面检测点误差统计表 表1

4.3 质量综述

通过上述统计结果，可以得出模型的平面位置精度基本达到了1∶500地形图对点位精度的要求，个别位置由于模型变形，误差较大；测区中心位置模型精度较高，边缘位置由于照片数量较少，模型变形较大，模型精度偏低。也不排除使用的地形图本身在个别位置有较大误差的可能。

5 结 语

随着无人机技术的快速发展，倾斜摄影技术通过模型重建、三维模型制作逐渐融入测绘领域，并已经成为三维模型生产的一种常规手段。测绘领域现如今已不满足于仅仅使用倾斜摄影技术进行三维数据制作，一些传统的测量方式大有被倾斜摄影技术取代的可能[7]。特别是在大比例尺测图方面，已经有人走在了前列。可以预见在不久的将来，无人机和倾斜摄影技术必将成为一种常规的测量手段。