無人機攝影技術,構建三維城市模型

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

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

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

1.傾斜攝影技術工作原理

傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域一項新興技術，融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術，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，可用于獲取地物側面豐富的紋理信息。

通過高效自動化的三維建模技術，快速構建具有準確地物地理位置信息的真三維空間場景，直觀地掌握目標區(qū)域內(nèi)地形地貌與所有建筑物的細節(jié)特征，可為道路、橋梁工程建設，環(huán)境保護等提供現(xiàn)勢、詳盡、精確、逼真的空間基礎地理信息數(shù)據(jù)支持和公共服務。傾斜攝影技術具有高分辨率、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.實景三維建模技術流程

利用無人機拍攝數(shù)張高清晰度實景照片，采取地物的垂直與傾斜影像以及少量的地面控制點，構建基于真實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個視角的影像進行大量特征點計算提取,并將獲取的特征點采用多視角匹配同名點,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系?？杖用苜|(zhì)量差時,必須重新進行空三加密,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

控制點可在空三加密前加入，選擇空三加密后加入控制點是因為這種方式可以節(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在哪些影像上，從而減少控制點的時間。

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行貼合工作，從而得到實景三維模型。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景模型專業(yè)軟件，實現(xiàn)模型的幾何修飾。

① 地面修飾在對地面區(qū)域進行影像匹配時，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充完整，然后進行橋接、補洞、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。當紋理存在不符合的情況，可將當前視角的紋理外接相關軟件進行修飾。

② 路面修飾?鑒于路面車輛、行人較多，且均為運動狀態(tài)，在進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)運動狀態(tài)下的物體發(fā)生不真實、異常等情況，需對此類情況進行部分路面修飾。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軟件進行修飾。

本文傾斜攝影技術進行三維建模后，采用Context Capture處理軟件創(chuàng)建實景模型。

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，為高速公路市政化改造項目，是國內(nèi)第一條在運營期內(nèi)通過政府回購方式取消收費的高速公路，路線全長約8.5km。項目采用無人機傾斜攝影測量技術，通過在沿線布設58個高精度相控點，構建三維實景模型。

實景模型創(chuàng)建

項目采用無人機攝影技術，采集上萬張高清晰影像。

傾斜攝影測量技術生成的實景模型為地理坐標下的經(jīng)緯度和高程,而項目采用的是當?shù)氐捻椖孔鴺思案叱?存在坐標轉(zhuǎn)換及誤差。為此依據(jù)國家控制點,本項目在沿線選取布設58個高精度相控點,通過高精度相控點對實景模型進行修正處理和當?shù)氐捻椖孔鴺思案叱剔D(zhuǎn)換,有效提高了實景模型精度,同時實現(xiàn)了實景模型與設計采用的坐標及高程的統(tǒng)一性。

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

梅觀高速公路市政道路改造項目三維實景模型主要應用于以下幾個方面。

1.獲取任意處的坐標

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

2.準確確定路廊內(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確量測被跨越物的坐標、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目可在真三維模型上直觀地圈定改造區(qū)域，并準確量測出距離、面積以及土方量。通過相應方案的數(shù)據(jù)分析，路線優(yōu)化設計，有效控制填挖方量，降低市政道路改造投資。

3.基于實景模型建筑物信息模型及拆遷可視化

實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行關聯(lián)，在真三維模型上進行精細化判讀與室內(nèi)量測，對路廊內(nèi)建筑物層數(shù)與實際面積進行快速統(tǒng)計，從而有效估算市政道路改造工程建設所必需的房屋拆遷量，使工程賠償造價準確合理，降低施工民事難度。

4.基于實景模型的環(huán)境保護

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

5.實景模型與設計模型集成

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

鑒于傳統(tǒng)二維設計手段已難以滿足要求，梅觀市政道路改造項目創(chuàng)新設計手段和方式，采用無人機傾斜攝影測量技術，通過在沿線布設58個高精度相控點，大幅提升了實景模型的平面和高程精度。并應用Context Capture軟件構建項目區(qū)域地面實景模型，該模型具備精度高、現(xiàn)實感強、可量測的特點，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提高實景模型精度，以及基于實景模型的建筑物信息模型及拆遷可視化、環(huán)境保護、實景模型與設計模型集成等創(chuàng)新點。進而為設計提供有力數(shù)據(jù)支撐，有效補充項目的外業(yè)數(shù)據(jù)，提升項目的內(nèi)業(yè)質(zhì)量。