城市实景三维建模中无人机倾斜摄影技术的应用研究

城市实景三维建模中无人机倾斜摄影技术的应用研究

Summary：在我国经济迅猛发展的背景下，城市建设规模也随之扩大，而在这样的环境下更多新技术有效融入到建设中，大大提升了城市化发展质量与效率。随着人工智能、大数据等新技术的出现，实景三维建模技术也发生了跨越式发展，构建国产安全自主可控的实景三维建模技术体系对于构建数字中国统一数据底座具有重要意义。本文探讨现有城市实景三维建模的背景和发展方向，描述实景三维建模与数字城市的关系，以及实景三维建模技术体系，并对该技术在数字城市“规建管”工作中的具体应用方向进行阐述和总结。Keys：无人机；倾斜摄影测量；三维实景模型；数据处理引言随着经济社会不断发展和城市规模不断扩大,城乡规划工作的业务需求也发生了较大变化,业务量和数据量的增加对城乡规划业务审批的规范性、科学性及时效性要求大幅提升。虽然,传统二维城市规划信息系统在数据管理、空间查询等方面的功能比较成熟,但难以满足现实多维数据形态下的城市空间分析、精细化管理和决策等方面需求。建立城市实景三维辅助规划决策系统,利用三维可视化地理信息技术彻底改变传统规划管理模式,在真实立体的三维场景中,用户通过动态交互的方式对多种三维规划方案进行全方位的对比分析,可以为城市规划管理提供更加直观高效的解决方案。1数字化实景三维建模方法用于生产三维场景的基础数据一般是拥有准确地理位置信息的元数据，其生产流程随着地理信息行业升级转型和新技术、新工艺、新方法的出现而不断升级更新。数字化实景三维建模方法有传统的3dsMax手工建模、基于倾斜摄影测量的半自动人机交互建模、基于机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的数字影像融合模型。传统3dsMax手工建模是使用3dsMax软件来手工构建模型，利用大比例数字线划图、低空垂直摄影测量来获取影像，以及现场实景拍摄建筑物影像，在3dsMax软件中，通过人工手动的方式来构建白模、修饰图片及纹理映射。基于倾斜摄影测量的半自动人机交互建模是利用低空倾斜摄影测量来获取影像，并通过人机交互半自动建模软件来完成建模。其数据源主要是机载的多镜头可见光相机对地观测获取的倾斜摄影影像，大多数情况下是一个垂直和多个倾斜角度的地表影像，结合人工布设的地面像片控制点，在人机交互半自动建模软件中进行三维建模与修饰。基于机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的数字影像融合模型是通过机载激光扫描的点云与倾斜摄影测量获取的数字影像融合模型。通过倾斜摄影测量获取的影像在人机交互半自动建模时经常会出现实景三维场景局部细节失真、变形或拉花等现象，通过增加机载激光扫描形成的点云数据能够减少或消除上述现象，实现较为准确的全自动或人机交互半自动提取地物（主要是指建筑物和构筑物）的三维结构模型，再利用倾斜摄影测量获取自动提取地物顶部和侧面纹理的影像，个别建筑物自遮蔽或因树木遮挡的位置要结合图形图像处理软件，在经人工修饰后映射贴合在地物的三维结构模型上。通过上述两种技术互补融合，构建的实景三维场景（模型）结构更准确、可视化效果更好、后期修复工作量更少。2三维城市建模的基本工作流程使用无人机挂载倾斜摄影设备对城市进行多角度多航次的超低空遥测,采集足够大数量的倾斜摄影图像,并使用Smart3D等软件对这些图像进行处理,最终形成初阶三维城市模型,再将这些三维模型进行离群分析,排除模型中因为物体移动带来的高误差测点,从而排除大部分人物、车辆、树木植被等模型,最终套用机器学习算法,对三维测试模型进行最终分析,将离群分析中不能排除的模型原件有效排除,如几乎不发生位移的树木主干等。与此同时,通过色彩识别(可见光)、温度识别(近红外线)等数据,对模型元件的材质展开分析,最终赋予相关原件相应的材质标记。3无人机倾斜摄影测量航线规划在数据采集之前进行航线规划是一个非常关键的步骤，它可以很好地保证数据获取的质量。无人机的影像数据采集和普通的拍照工作大不一样，普通的拍照工作可以人工控制无人机对目标进行随意无规律的拍照，而在无人机倾斜摄影测量的工作中，飞机的飞行要保证一定的平稳性，并且要根据实际情况规划路线，并且在此航线中无人机的航高要在一定的允许范围内。对于无人机来说，如果需要其飞行具有一定规则的航空路线，在不借助航线规划的前提下，单靠人工通过遥控控制无人机得以操作飞行方向是不容易实现的。除此之外，数据采集的过程中还要保证飞行速度保持匀速，以便影像采样率均匀且影像稳定。再则，在空中作业过程中，会受到空气流速度的影响，使无人机的平衡性被打破，导致得到的影像数据模糊。建模对于像片的采样率和重叠率有比较高的要求，光靠人工操作遥控器飞行不好把握，导致飞行获取数据的质量不高，从而致使需要重飞等操作，降低工作效率，所以，在数据采集前进行航线规划是很有必要的。一般，理想的测区形状为矩形,也就是传统航空摄影中所使用的测区形状。矩形测区的航线规划较为简单，采用平行航线折返拍摄即可。但实际情况中，测区的形状很可能是非规则的多边形甚至是长条带形状，这会增加航线规划和执行的难度。4实景三维建模技术体系4.12精细模型构建技术精细手工建模数据是指将现实世界中手工制作的模型数字化或者利用相应的软件如，AUTODESK3DSMAX、AUTODESKRevit、SketchUp、LiveInterior3D等建立的模型数据，实现对现实世界的表达。其步骤一般包括：首先制作建筑物框架，再贴上现场拍摄的纹理，并辅以光影的效果，最后对模型进行分割、精修和重新贴图。手工模型的效果一般由建模人员的技术水平决定，效果美观酷炫，可以突破可视空间的局限，展示城市的基本全貌。4.2无人机空中三角测量点的加密方式在使用无人机搭载的5摄像头相机进行测量的时候，摄像系统会对数据进行自动加密，之所以将这种测量方式称之为三角测量点，是因为摄像过程中的投影中心点、地面点以及像点三者之间构成了三角形，以这3个点连接而成的线条构成了封闭三角形，每张单独提取出的像片都是一个解算单元。每个像片之间会存在公共点，在公共点和野外控制点的共同参照下，将所有像片中的光束都连接在一起，随后进行整体平差并加密坐标，这就是无人机空中三角测量点的主要加密方式。在需要使用坐标的时候，根据不同像点的观测值得到与之对应的误差方程，然后利用最小二乘法解方程进行平差，最终在每个像片中获取的不同的6个待定参数就是使用者需要的坐标。4.3质量检查质量检查是检查产品成果是否合格、优劣与否的重要环节，质量检查要遵循三维地理信息模型成果的验收规范。质检内容主要包括空中航摄质量检查、点云检查、DEM高程精度检查、空中三角测量加密成果检查、建筑物体框模型位置精度检查、倾斜影像纹理检查以及实景三维场景效果检查等。结语本文针对实景三维辅助规划管理实际应用需求,开展了倾斜摄影数据获取及实景建模、海量数据优化组织存储与管理、多维数据融合显示和互操作以及地上下模型一体化辅助规划管理等关键技术研究,集地上地下实景三维、规划三维和辅助管理信息与功能于一体,构建了实景三维辅助规划管理系统,在城市立体空间规划及管理工作中发挥重要作用,极大地提升了审批自动化水平,有效提升规划管理人员工作效率。Reference[1]吴探诗.三维城市规划辅助决策系统建设方法研究[J].测绘