万丽娟

（广州市城市规划勘测设计研究院，广州 510000）

1 引言

城市的建设离不开规划，规划过程中对城市地形地貌进行三维建模一直是重要的研究项目。由于传统的三维建模技术成本很高，因此，从低空遥感无人机航测技术改进而来的无人机倾斜摄影的重要性得到凸显。无人机测量成本相对较低，且它的多个传感器共同形成的三维数据解决了建模过程中的难题，成为城市规划中实现三维建模的重要手段。本文立足于我国当前对无人机倾斜测量的应用，在论述无人机数据处理过程的同时对其技术含量以及其应用价值做出客观评价。

2 无人机倾斜摄影测量与数据处理原理

2.1 无人机倾斜摄影测量技术原理

对无人机航测技术、摄影技术以及数据处理技术的结合与应用是在2010年被引入我国并逐渐发扬光大的[1]。倾斜摄影技术是在无人机低空遥感技术的基础上改良而来的，这两种技术下的无人机都不会进行超高空作业，毕竟以无人机的质量，在面对高空的低温和乱流时都有可能直接导致设备损坏。虽然有一定的局限性，但不可否认的是，无人机倾斜摄影技术融合了常规航测和低空航测的优势，且相比二者又有了技术方面的创新。倾斜摄影指的是在无人机上搭载具有多个传感器的多头摄像机，一个正射摄像头搭配4个倾斜的摄像头，从而提升测量效果。垂直摄像头和常规航测摄像头一样用于4D摄影，而另外4个倾斜摄像头则着重捕捉地面纹理（见图1），利用多个摄像头之间的对比和结合，可以对地面纹理和起伏物的高度等都有比较精准的测量。无人机倾斜摄影测量了远远超过传统航测的信息精准度，全面提升了城市规划过程中三维建模的实用性。

图1 无人机倾斜测量示意图

2.2 无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程

无人机倾斜摄影测量在三维建模工作中主要以这样的方式发挥作用：首先，将无人机作为搭载传感器的可移动飞行平台，在无人机上根据测绘的具体需求安装具有相应技术含量的摄像头。目前，比较常用的是有5个感应头的摄像机。其次，对无人机上的摄像设备等进行检测，确保其性能无问题，能够胜任接下来的勘测工作。再次，对无人机进行航线和飞行高度等方面的设定，确保无人机的安全和数据测量质量。最后，在航测过程中通过航飞和像控测量实现数据的采集工作。在无人机返航后，就可以利用多视角三维空中三角测量、真三维模型自动生产等技术手段将通过无人机摄像取得的数据进行高速处理，初步生成三维模型（见图2），从而完成测量工作。

图2 无人机倾斜摄影初步生成的三维模型

2.3 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[2]。

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。

3 无人机倾斜测量数据处理

3.1 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。

3.2 无人机数据解密处理后的DSM生成

为了尽可能消除在无人机航测过程中风力等因素对图像的几何形变方面的影响，在利用解密后的数据进行三维建模之前就要先进行几何方面的粗调整，其中包括对角度和比例尺的适当修改。完成初步修改后还要建立影像金字塔，然后通过Harris算子等实用性工具按照不同层级逐步提取数据特征。为确保数据的准确性，需要时刻注意特征点分布是否均匀。接下来将逐级处理过的数据用金字塔匹配、多视匹配以及边缘特征匹配等不同方式进行密集匹配处理，最终得到的就是精准度相对较高的DSM点云。为了进一步消除拍摄和数据处理中可能存在的误差，对DSM点云的处理还有特征滤波处理以及通过影像纹理处理的地理识别等。

3.3 三维模型的建立与精度分析

在使用无人机进行倾斜测量并对坐标等数据完成加密和解密等操作之后，还需要建立坐标模型。在这一环节中，用来建立坐标模型并进行数据处理的常见工具是Bentley Context Capture，使用Bentley Context Capture工具可以使得数据在被加工处理为三维模型的时候具有更高的真实性。与其他同类型的软件相比，Bentley Context Capture工具还原度更高、误差率更低，在城市三维建模工作中能够发挥巨大作用。这一建模软件的应用范围很广，除了对城市规划中的低空遥感拍摄数据进行三维建模处理外，在一些施工单位以及矿山等地形的勘测与地形图绘制中也得到应用。极高的分辨率使得这一软件饱受好评，更重要的是，Bentley Context Capture能够对原影像中的条纹等微小细节进行深度还原，能够将图像的边缘位置处理得更加真实与平滑，能够满足不同行业对建模的多样化需求[3]。

4 实景三维模型的精度分析

根据过往的经验来看，通过无人机倾斜测量在城市勘测中实现三维取景的目的，是可以获取更加直观的坐标信息，包括能够通过比例尺用肉眼直接得到各建筑以及其他起伏物的长、宽、高等数据。根据三维建模技术中关于视域等方面的技术应用，对三维模型的精确度分析要以分辨率为主。当然，城市的规划与建设是百年大计，需要考虑的因素有很多，除了摄影成像本身清晰与否外，对城市中各种建筑在构成数字模型之后的数学精度也要格外注意，毕竟无人机航测中可能存在一定的偏差，但由于在消除误差的过程中目前还没有权威方法，因此，在考虑数学模型问题的时候多使用数学精度消差法。

建立三维模型的时候，可以在模型上直接获取城市中的建筑物等的各项参数，因此，控制测量误差并在数据处理过程中尽最大可能消除误差非常重要。同时，基于实景和模型两方面共同进行数学消差是很有必要的，换句话说，测量和处理工作都要非常精准。目前，影响模型最终的数学精度的主要是测量时候的误差，这就对后续处理数据的工作提出了更高要求。不过目前城市规划中的无人机倾斜测量技术进步很快，虽然无法完全消除测量过程中外在因素导致的误差，但是可以根据影响因素大约估计误差率，由此也大大提升了测量的整体精度。

5 结语

无人机倾斜测量在城市地形勘测与三维建模中应用广泛，经常通过重新拍摄固定区域和彩色处理等方式处理数据，然后利用无人机上的多台传感器得到的数据进行三维化还原，最终完成对城市地形地貌的三维建模，在全面提升模型真实感的同时有利于节约成本。而且随着无人机技术和摄像设备的不断更新，目前相对生活化的无人机航测也能够将图像精准到亚米级别。随着科技的不断进步，无人机倾斜测量技术会对城市规划中的三维建模产生更大帮助。