無人機(jī)攝影技術(shù),構(gòu)建三維城市模型

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，市政道路建設(shè)環(huán)境日益惡化，尤其是地面建筑物錯綜復(fù)雜，若采用傳統(tǒng)二維設(shè)計手段，工作量大、效率低、成本高，難以滿足復(fù)雜市政道路工程設(shè)計要求。針對上述問題，本文提出了利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維建模的方法。相對于傳統(tǒng)的正射影像及建模，傾斜攝影測量技術(shù)具有可量測性、真實(shí)性、高精度等優(yōu)勢。

在深圳梅觀市政道路改造項(xiàng)目中，通過應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)，大幅提升了實(shí)景模型的平面和高程精度，可有效提高市政道路的設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化工程建設(shè)投資造價，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

利用傾斜攝影技術(shù)快速構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域三維空間場景，對市政道路沿線建造條件進(jìn)行快速調(diào)查，合理避讓大型立交、重要建筑物、環(huán)境保護(hù)區(qū)、叢林密集區(qū)，以及險惡地形與惡劣地質(zhì)區(qū)，使線路設(shè)計安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，減少線路工程建設(shè)對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。

1.傾斜攝影技術(shù)工作原理

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域一項(xiàng)新興技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前視、左視、右視、后視5個不同角度采集影像。其中，垂直攝影影像，可經(jīng)過傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)處理，制作4D產(chǎn)品；前視、左視、右視與后視4個傾斜攝影影像，傾斜角度在15～45°之間，可用于獲取地物側(cè)面豐富的紋理信息。

通過高效自動化的三維建模技術(shù)，快速構(gòu)建具有準(zhǔn)確地物地理位置信息的真三維空間場景，直觀地掌握目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地形地貌與所有建筑物的細(xì)節(jié)特征，可為道路、橋梁工程建設(shè)，環(huán)境保護(hù)等提供現(xiàn)勢、詳盡、精確、逼真的空間基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支持和公共服務(wù)。傾斜攝影技術(shù)具有高分辨率、獲取豐富的地物紋理信息、高效自動化的三維模型生產(chǎn)、逼真的三維空間場景等優(yōu)勢特征。

2.實(shí)景三維建模技術(shù)流程

利用無人機(jī)拍攝數(shù)張高清晰度實(shí)景照片，采取地物的垂直與傾斜影像以及少量的地面控制點(diǎn)，構(gòu)建基于真實(shí)影像紋理的高分辨率真三維模型。

3.空三加密

空三加密會對5個視角的影像進(jìn)行大量特征點(diǎn)計算提取,并將獲取的特征點(diǎn)采用多視角匹配同名點(diǎn),反向解算出每張影像的空間位置及姿態(tài)角度,從而確定影像之間的關(guān)系?？杖用苜|(zhì)量差時,必須重新進(jìn)行空三加密,多次加密未成功可刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的影像后再處理。

4.加入控制點(diǎn)

控制點(diǎn)可在空三加密前加入，選擇空三加密后加入控制點(diǎn)是因?yàn)檫@種方式可以節(jié)省處理時間，通過空三加密得到的航帶信息可更快地找到控制點(diǎn)在哪些影像上，從而減少控制點(diǎn)的時間。

5.模型重建

利用空三加密計算出的三角網(wǎng)TIN，生成三維模型的白模，然后通過三維模型形狀位置，從影像里面選擇最合理紋理進(jìn)行貼合工作，從而得到實(shí)景三維模型。因傾斜攝影過程中，存在反光、遮擋、移動物體等因素，造成三角網(wǎng)構(gòu)建過程中存在模型上的空洞、扭曲、碎片等情況。

6.模型修飾

三維模型修飾主要包括幾何修飾和紋理修飾，采用修飾軟件修改實(shí)景模型專業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)模型的幾何修飾。

① 地面修飾在對地面區(qū)域進(jìn)行影像匹配時，受到發(fā)射、倒影等情況干擾，造成生成模型存在高程異常，地面凹陷情況。地面修飾前需對異常地面圈定并刪除，通過判斷TIle輪廓的完整性，確定是否需要繪制面來將輪廓補(bǔ)充完整，然后進(jìn)行橋接、補(bǔ)洞、紋理映射一系列操作，不同TIle之間需要將地面擬合到同一平面。當(dāng)紋理存在不符合的情況，可將當(dāng)前視角的紋理外接相關(guān)軟件進(jìn)行修飾。

② 路面修飾?鑒于路面車輛、行人較多，且均為運(yùn)動狀態(tài)，在進(jìn)行影像匹配時常出現(xiàn)異常，容易造成車輛變形、路面凹凸不平的情況，若不采取修飾，后期模型會出現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)下的物體發(fā)生不真實(shí)、異常等情況，需對此類情況進(jìn)行部分路面修飾。路面修飾通過對異常范圍選中并擬合到同一平面，并且對不符合的紋理部分外接相關(guān)軟件進(jìn)行修飾。

本文傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模后，采用Context Capture處理軟件創(chuàng)建實(shí)景模型。

深圳梅觀高速公路清湖南段市政道路工程位于深圳市中部綜合組團(tuán)，為高速公路市政化改造項(xiàng)目，是國內(nèi)第一條在運(yùn)營期內(nèi)通過政府回購方式取消收費(fèi)的高速公路，路線全長約8.5km。項(xiàng)目采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，通過在沿線布設(shè)58個高精度相控點(diǎn)，構(gòu)建三維實(shí)景模型。

實(shí)景模型創(chuàng)建

項(xiàng)目采用無人機(jī)攝影技術(shù)，采集上萬張高清晰影像。

傾斜攝影測量技術(shù)生成的實(shí)景模型為地理坐標(biāo)下的經(jīng)緯度和高程,而項(xiàng)目采用的是當(dāng)?shù)氐捻?xiàng)目坐標(biāo)及高程,存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及誤差。為此依據(jù)國家控制點(diǎn),本項(xiàng)目在沿線選取布設(shè)58個高精度相控點(diǎn),通過高精度相控點(diǎn)對實(shí)景模型進(jìn)行修正處理和當(dāng)?shù)氐捻?xiàng)目坐標(biāo)及高程轉(zhuǎn)換,有效提高了實(shí)景模型精度,同時實(shí)現(xiàn)了實(shí)景模型與設(shè)計采用的坐標(biāo)及高程的統(tǒng)一性。

利用無人機(jī)攝影技術(shù)拍攝照片及高精度相控點(diǎn),生成點(diǎn)云模型,三角網(wǎng)TIN模型,渲染后生成實(shí)景模型。

梅觀高速公路市政道路改造項(xiàng)目三維實(shí)景模型主要應(yīng)用于以下幾個方面。

1.獲取任意處的坐標(biāo)

實(shí)景模型建立后，無須工作人員現(xiàn)場采集所需處坐標(biāo)，可通過實(shí)景模型導(dǎo)入三維設(shè)計軟件獲取任意處的坐標(biāo)，有利于構(gòu)建設(shè)計方案前的快速查詢工作。

2.準(zhǔn)確確定路廊內(nèi)建筑物高度、區(qū)域面積、土方量

對于已有公路、已建輸電線路、建筑物等沿線重要交叉跨越，在真三維模型上可準(zhǔn)確量測被跨越物的坐標(biāo)、距離與高度信息，合理優(yōu)化線路跨越位置，有利于立交和天橋的施工。對于市政道路改造項(xiàng)目可在真三維模型上直觀地圈定改造區(qū)域，并準(zhǔn)確量測出距離、面積以及土方量。通過相應(yīng)方案的數(shù)據(jù)分析，路線優(yōu)化設(shè)計，有效控制填挖方量，降低市政道路改造投資。

3.基于實(shí)景模型建筑物信息模型及拆遷可視化

實(shí)景模型中建筑物可通過添加屬性信息的方式，將屬性信息與建筑物進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在真三維模型上進(jìn)行精細(xì)化判讀與室內(nèi)量測，對路廊內(nèi)建筑物層數(shù)與實(shí)際面積進(jìn)行快速統(tǒng)計，從而有效估算市政道路改造工程建設(shè)所必需的房屋拆遷量，使工程賠償造價準(zhǔn)確合理，降低施工民事難度。

4.基于實(shí)景模型的環(huán)境保護(hù)

梅觀高速公路改造項(xiàng)目過程中涉及有民治水庫。該水庫兼?zhèn)浞篮楹凸┧δ?，為區(qū)域重要的應(yīng)急備用水源水庫。為合理保護(hù)水資源生態(tài)環(huán)境，并考慮道路距離水庫保護(hù)距離，設(shè)計基于實(shí)景模型改造道路，確保準(zhǔn)確、直觀的優(yōu)勢。

5.實(shí)景模型與設(shè)計模型集成

利用Open Road Designer技術(shù)確定項(xiàng)目的道路、橋梁、管廊、景觀綠化和用地范圍項(xiàng)目的設(shè)計集成模型和模型范圍，扣除設(shè)計集成模型范圍內(nèi)的原始實(shí)景模型，將設(shè)計集成模型與扣除后的實(shí)景模型最終進(jìn)行集成，可直觀、真實(shí)反映項(xiàng)目的合理性及項(xiàng)目建成后情況。

鑒于傳統(tǒng)二維設(shè)計手段已難以滿足要求，梅觀市政道路改造項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計手段和方式，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，通過在沿線布設(shè)58個高精度相控點(diǎn)，大幅提升了實(shí)景模型的平面和高程精度。并應(yīng)用Context Capture軟件構(gòu)建項(xiàng)目區(qū)域地面實(shí)景模型，該模型具備精度高、現(xiàn)實(shí)感強(qiáng)、可量測的特點(diǎn)，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性。提出了通過高精度相控點(diǎn)提高實(shí)景模型精度，以及基于實(shí)景模型的建筑物信息模型及拆遷可視化、環(huán)境保護(hù)、實(shí)景模型與設(shè)計模型集成等創(chuàng)新點(diǎn)。進(jìn)而為設(shè)計提供有力數(shù)據(jù)支撐，有效補(bǔ)充項(xiàng)目的外業(yè)數(shù)據(jù)，提升項(xiàng)目的內(nèi)業(yè)質(zhì)量。