肖登枝

(漳州市测绘设计研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

随着无人机可载重量的增加，电池续航工艺水平的发展，采用无人机搭载多镜头摄影相机，实现多维度地快速获取地物信息成为可能。无人机倾斜摄影测量[1]主要是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体多维度的更为完整准确的信息。其采集的数据成果丰富，可以输出地形图、DOM、DEM、实景三维模型等多种类型的产品。本文主要通过在漳州市实际测绘生产中的多个应用实例，对无人机倾斜摄影测量三维模型的生产方法及应用方向进行探讨。

2 作业流程

无人机倾斜摄影测量三维建模主要是通过倾斜摄影获取的多角度的影像数据，通过自动化建模软件，生产三维模型。其整个生产作业流程如图1所示。下面以漳州市角美镇东山村三维实景建模为例，简述作业流程。

图1 倾斜摄影测量三维建模简略技术流程图

(1)前期准备

根据测区地理情况及天气情况等，合理安排工期，设计航线，最终成果要能满足 1.6 cm的影像分辨率、 5 cm三维模型分辨率精度要求。测区位于漳州台商投资区中心区，面积约为 0.88 km2，现状以聚居居民点为主，交通方便。按照当前作业效率，以一架无人机为例，大致可飞行范围是0.7 km2/架/天，故拟投入无人机系统1台套，预计两个工作日即可完成航测外业。

(2)航摄飞行及控制测量[2]

选择天气晴朗、无云雾、风速在8 m/s以下、能见度大于 5 km，太阳高度角大于45度时平坦空地，周边无高压线、高层建筑及高大树木等遮挡，起降方向与当时风向平行，操纵无人机航飞。控制点必须选在影像清晰的明显地物点上，如斑马线角点或其他接近正交的线状地物交点，如现场无合适布设控制点的，必须提前用油漆绘制标志，不可选取，使用且尽量选在上下两条航线6片重叠范围内，使布设的控制点能用于多张像片。

(3)三维建模生产

这一阶段现在一般都可以通过软件自动完成。空三加密点计算出不规则三角网TIN，并且生成白模的三维模型，再通过纹理贴合，最后生成纹理逼真的实景三维模型[3]。根据生产的模型的具体情况，对水体空洞等进行修改编辑加工，对遮挡部分外业调绘补测，重新更新整合数据，最终生成实景三维模型。

3 与传统三维模型比较

传统的三维模型制作通常采用数字正射影像图与数字高程模型进行叠加，快速建立大场景的地表三维模型，其生产出的三维模型纹理分辨率不高，缺少侧面纹理信息，实质上是2.5维的数据产品。对于局部需要精细建模的场景，再采用人工拍照、贴上纹理的方式进行。但由于照片分辨率、角度等问题以及采用的原二维数据底图质量和精度问题，即使这样也并不能完全展现建构筑物各个角度的细节。

而采用倾斜摄影测量生产的实景三维模型，是采用多镜头、多角度、实时拍摄的，能够不受地形地貌限制，更加真实全面立体地反映地表物体的局部细节和整体层次[4]。其仿真度、建模效率相比传统的三维模型制作方式，均提高了很多；而时间成本、经济成本均能得到降低。

4 应用方向

无人机摄影测量相比于传统的测量方式，更加高效。获得的三维实景模型在大比例尺测图、征迁测量、两违管控、矿山测量、城市规划服务、管线隧道桥梁电力等巡检、不动产登记、应急测绘保障等多个方面都能得到有效应用。下面以漳州市测绘设计研究院在漳州市采用倾斜摄影测量三维建模生产的5个主要应用方向为例进行介绍：

(1)大比例尺测图

通过对生产的测区实景三维模型转化数据格式后导入图形编辑软件进行编辑，赋予图层与属性信息，即可制作大比例尺地图。因为无人机拍摄的低空影像数据一般来说分辨率较高，其相应的成图精度也会较高。而由于高分辨率的影像模型存在，将节省了外业的工作量，提升了工作效率。其生产的地形图精度也在实际工作中得到了验证，多地已经开始将采用该方式获得的地形图成果用于农村集体土地登记确权、不动产登记等工作中。

(2)矿山测量

通过立体三维采集，比平面图能更真实地反映出陡坎、斜坡、深坑等特殊地貌。在当前环境保护的大趋势下，三维模型能更精确地表达出矿山、矿坑的现状，应用于矿山的整治与修复甚至开发利用。漳州市测绘设计研究院采用倾斜摄影测量技术，对漳州台商投资区金山矿坑项目，进行了现状地形地貌采集工作。因为该废弃矿坑其最低点已深入地下一百多米，且矿坑边缘多为接近垂直形态的陡坡，所以作业人员难以直接进入坑底。同时，传统的地形图的表达方式并不能直观体现其在纵面上的变化，为矿坑的后续改造利用带来了困难。采用无人机倾斜摄影测量，对坑壁、坑底等特殊地貌进行数据采集，建立三维模型，直接展示了该矿坑的真实地貌，为矿坑的后续整治及是否可开发利用提供了决策依据，如图2所示。

图2 漳州金山矿坑测量建模成果

(3)服务城市规划

通过对基础地形地貌资料的快速采集，用于规划编制前期工作或者多个选址方案对比决策，甚至可以进一步与工程建设方案的效果图进行拼接，直观体现工程竣工后片区整体效果。目前，大多数城市规划编制的原始资料主要为数字化地形图，对于非专业人士来说还是不够直观。如果能够将采集的各个角度的影像资料与项目拟实施的鸟瞰效果图相结合，能使人直观感受到项目建成后是否与周边环境协调等。通过在重要的城市规划节点提供多个效果图加实景图的对比方案，便于政府或项目业主进行决策。如图3所示，漳州南湖生态文化园三维实景模型与钟法桥、南江滨路规划效果的套合图。

图3 漳州南湖生态文化园三维实景模型与钟法桥、南江滨路规划效果的套合图

(4)征迁测量

三维模型能提供实时的多维度的房屋信息，足不出户即可查询显示建构筑物面积、层数、高度等信息，也可以在前期对征迁量进行估算，能够给人以更直观的感受，便于征迁工作开展。在漳州市龙文区湘桥村的征迁测量工作中，作业人员先直接进行了倾斜摄影测量，获得了待征迁部分的实时三维数据，并将该数据在镇政府办公大厅进行实景展示。对于征迁面积有争议的村民可以随时查询，促进了征迁工作的顺利开展。该方式既能一定程度上解决征迁纠纷，也能对违建抢建行为起到一定震慑作用。

(5)“两违管控”

将前一时间节点的CAD数据(主要是房屋轮廓线与层高数据)与实时的摄影测量数据进行叠加，即可直观分辨出区域内房屋增建或拆迁情况。一般采用正射影像即可进行对比，但是对于增加层数、改变用途等违建方式，正射影像并不能较好地体现出来。比如有的违建采用在顶层搭建的钢结构棚房内增建，正射影像表达的顶面是看不出变更的。此时，三维实景模型就有了用武之地，可以根据获得的多角度数据清晰分辨出房屋层数、建筑材质是否有变更。而将之前的房屋轮廓线、建筑物高度等CAD格式的数据导入套合现状三维模型进行对比，因为比高的存在，可以非常直观反映出增建、改建、拆除等情况。如图4所示，即为刘宅村2018年房屋轮廓线与建筑物高度数据套合2019年三维实景模型的情况。

图4 漳州台商投资区刘宅村2018年房屋轮廓线与建筑物高度数据套合2019年三维实景模型

5 无人机倾斜摄影测量三维建模存在的问题

无人机倾斜摄影测量三维建模因为能快速、多角度采集位置、纹理、高度等属性信息，相比传统三维建模方式，具有速度快、效率高、精度高、更经济等多种优势。其应用场景丰富，以上提到的5个方面只是冰山一角。但是目前的发展仍然存在一些不足，受到了一定制约。

(1)经济方面

为了获得高精度的影像数据，提升三维建模精度，需要降低飞行高度以及采用高分辨率的镜头。而当降低飞行高度时，其相应的航片数量会增大，需布设的像控点数量也会增多，数据的处理、存储、发布等也需要较高的硬件配置；另外，分辨率越高，相机镜头单价也越贵。项目前期投入较大。

(2)数据处理方面

由于外业实际情况复杂，各种地形地貌可能会导致数据含有粗差，进而影响后期数据精度。比如，大面积的水面会产生高反射现象导致生成的面域信息不准确；树木等异物遮挡可能导致被遮挡的数据不能采集，形成类似锯齿状的表面模型，这些情况都需要对图面进行修补或通过其他常规测量方式进行补测后再建模接边。

(3)其他方面

因为无人机电池续航能力、机身大小及载重等因素限制，外业航飞时要注意随时更换电池。因电池脱落或电池续航电力不足等各种原因导致的无人机坠落的问题也层出不穷，导致数据有丢失的风险。前两年主流的无人机一般一个架次飞行时间在 25 min～30 min左右。目前随着科技发展，机身设计优化、风阻减小，电池续航能力得到提升，每架次飞行时间已经能够提高到 45 min～50 min。

6 结 语

虽然无人机倾斜摄影测量三维建模存在一些不足，但是它高效、直观等的优势也很突出。我们可以预期，随着行业发展，各种技术瓶颈将得到突破。首先，各种硬件的价格将越来越低廉，无人机倾斜摄影测量的成本也将更加低廉、数据处理能力将得到进一步提升。其次，摄影测量技术在以后的发展中能够与激光扫描等其他技术进行整合，从而解决遮挡等问题，避免后期补测工作，提升效率。再次，电池续航能力以及载重能力的进一步提升，将使得采集的数据精度提高，飞行效率增加。所以无人机倾斜摄影测量三维建模必将在更多行业迎来更广泛及深入地应用。