“倾斜航摄+地面拍照”空地融合，让实景三维模型不再「只可远观，不可近看」
摘 要: 单独使用无人机倾斜摄影自动化生成的实景三维模型，远观逼真，但近看失真。为了解决这种矛盾的同时不增 加成本，不降低效率，本文研究了一种“倾斜航摄+地面拍照”空地融合生成实景三维模型的方案。即利用无人机倾斜摄影和地面定点拍照的方式获取照片资料，利用该空地两类照片资料进行分别空三，然后将分别空三的成果通过人工添加同名点的方式进行空地两类空三成果自动融合，最终自动化生成远近视角逼真且位置精度高的实景三维模型。
关键词: 无人机倾斜摄影; 地面定点拍照; 空中三角测量; 空地融合; 实景三维模型
随着无人机航摄技术的成熟、高精度差分系统的应用、实景三维自动化建模软件的普及，无人机倾斜摄 影实现自动化实景三维建模的技术已成为近年来较为 成熟的三维模型生产技术了，这种模式生成的三维模 型成果应用也越来越广泛。
倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、前方、后方、左侧、右侧 5 个不同的角度采集影像。无人机倾斜摄影自动化实景 三维建模生产的三维模型成果，较为普遍的应用就是: 倾斜实景三维模型进入各种信息系统，成为各种专题 信息三维表达的位置参考和属性挂接载体。这一应用 的出现，使得实景三维模型的功能应用从远观升级到 近看。然而，单独使用无人机倾斜摄影自动化生成的实景三维模型，远观非常漂亮逼真，一旦镜头拉近到地表视角近看，就会发现三维模型接近地面的部分，纹理模糊且不清晰、模型体凹凸不平甚至失真。为了解决这种矛盾，越来越多的建模单位采用将实景三维建筑模型体单体化的方式，这使得模型漂亮逼真了，但是由于坐标数据和模型纹理数据的采集与处理均需要大量的外业和内业工作，这使得不仅工作量大，而且周期较 长，人工成本明显增多，建模效率大大降低。为了解决新出现的矛盾，本文研究了一种“无人机倾斜航拍+ 地面定点拍照”空地融合自动化实现实景三维建模的解决方案，将空中与地面视角拍摄的照片优势互补，满足远观近看的浏览需求。利用无人机倾斜摄影照片和地面定点拍照的照片，进行空地融合空三，最后生成远观近看都漂亮逼真的高精度实景三维模型。该技术具有获取数据真实、精度高、速度快的特点和优势，可以真实映射我们所处的世界三维环境。
图1 空地融合解决方案流程图
本方案大致流程是: 早晨早起时，光照不符合航飞作业，此时可以进行像控点布测; 在光照合适时进行低 空高分辨率无人机倾斜航拍; 在进行航飞时，飞行过程留一人进行飞机监控，剩下的人员进行目标建筑物地面定点拍照，这样能最大限度地进行人员利用。
然后回到内业，运用该倾斜航片配以实测地面像控点进行高精度区域网倾斜空中三角测量，形成带真实坐标的高精度倾斜空三成果; 同时运用另外一台电脑利用地面定点拍摄的照片进行无控制空中三角测量，形成不带真实坐标的空三成果; 接着运用添加连接点的方式，将两台电脑中无坐标的地面空三成果配准到高精度倾斜空三成果中。最后自动进行空地融合区域网空三平差解算，并生成高精度、远观逼真、近看真实美观的实景三维模型。
3. 1 无人机倾斜航拍
无人机倾斜摄影可采用多旋翼无人机系统执行，飞前利用已有的参考资料( 地形图、影像图、DEM 等) 进行航线的规划和像控点设计，保证航飞的有效与安 全。无人机搭载5镜头相机一次曝光可获取地面5个方向的高清晰度照片。无人机上搭载一套 ppk 后差分系统，能实时记录曝光点位置信息，配合GNSS 连续运 行参考站系统模拟虚拟基站数据，通过后差分解算能 获取照片曝光时刻的准确空间位置，可减少地面控制点的同时，大大提高后续区域网空三加密精度，保证基 础资料的可靠性。主要技术参数如表 1 所示:
要求:
①航片成果数据、PPK 数据、POS数据数量一致;
②航片色调基本一致、细部纹理清晰、对比度及曝 光量适当，无条带、色斑等缺陷。
3. 2 地面定点拍照
拍照法则: 多角度、高重叠、高分辨率。
拍照方法: 围绕目标建筑物四周，等间距逆时针或 顺时针拍照; 相邻两个拍照点正对目标物拍照的照片保证有 60%重叠; 每个拍照点拍 3 张照片，3 张照片内每张照片夹角小于 15°。
拍摄方法如图 2 所示:
图 2 地面定点拍照方法示意图 图中: 1、2、3、4、5、6 是拍照点位; 照片 1、2、3、4、5、 6 为相邻点位主视图照片，他们之间重叠度大于 60%， 以此来决定拍照点位的间距; 角 a 小于 15°; 点位上的三张照片为左片( A) 、主片( 5) 、右片( B) ，主片为正对目标物的照片。拍照点位根据主片重叠度决定，转角 上的点位需要加密 1 倍，如图中 7、8、9、10、11 点位。
3. 3 像控点布测
以 3 cm 分辨率为例。每平方公里布设 4 个～6 个地面像控点点位，点位选择开阔无遮挡的区域，依据航 空摄影测量技术要求均匀布设。可根据像控点布设方 案在无明显特征区域布设靶标。
利用似大地水准面精化模型进行 GNSS RTK高程测量。为进一步保证像控点的测量精度，实地测量时， 采用三角支架稳定 GPS 天线，采集数据时确保平面收 敛值小于 2 cm，高程收敛值小于 3 cm，每个像控点至 少采集 5 个测回进行内符合精度检验，取各测回的平均值作为像控点坐标成果，确保像控点测量精度平面 优于 2 cm，高程优于 3 cm。像控点平面位置和高程测 量均采用 GPS－ＲTK 方法，两者同步进行。
3. 4 区域网倾斜空三加密
本方案采用多视角相机镜头获取多角度影像，通过全自动化后期处理软件 Contextcapture快速获取城市实景三维模型。首先无人机航拍照片数据整理 后，在区域网空三加密软件中创建一个测区 block1，导入航片数据进行预处理，然后进行像控点刺点，最后进行区域网多镜头联合平差倾斜空三加密，得到带真实 坐标的倾斜空三成果。
3. 5 区域网地面照片空三加密
本方案采用普通数码相机或智能手机拍摄获取照片，然后使用 Contextcapture 软件进行基于多视照片的三维重建。首先将地面定点拍照的照片清除废片后，然后在区域网空三加密软件中创建一个测区 block2，导入照片进行地面照片空三加密解算，得到无 坐标的地面照片空三加密成果。
3. 6 添加连接点
在 block1 中，在两类空地照片同一目标建筑上同名位置选取每个墙面至少3个点作为同名连接点，选点时选取在地面照片上容易找到并合理分布的点，然后进行刺点，并截图保留点位图; 最后导出这些连接点作为 block2 的控制点。
在block2中，把 block1 中刺好的连接点作为控制点导入加密平台，根据保留的点位图进行刺点，然后选择刚性配准运行空三解算。此时 block1与block2 就通过刺入的连接点做了匹配，使得 block2 具有了跟block1 相同的坐标位置信息。
3. 7 空地融合自动创建倾斜实景三维模型
将经过最后空三解算的两个block1测区与block2测区的空三成果进行merge合并，然后创建新的生产项目，提交生产生成空地融合后的实景三维模型。
此时生成的实景三维模型具有倾斜三维模型的上空效果，也具有接近地面视角的效果，尤其在很多有通 道的高楼建筑物方面，镂空的部分无须进行人工处理， 就跟实地一模一样了。
随着三维建模技术的不断发展，三维数字城市正 成为数字城市到智慧城市升级的主要建设内容之一， 日益渗透到整个城市生活的方方面面。作为新型三 维模型制作手段，空地融合实景三维建模技术将在城 市管理、国土规划、土地确权、宅基地管理等领域得到 广泛应用。其中，倾斜实景三维模型进入各种专题 信息平台的应用最具代表性。长沙近年来开展的地下 管线三维信息平台，都是以倾斜三维模型为位置表述，辅助地下各种管线三维的呈现和分析，这将传统的二维管线管理提升到可视化三维的高度。近年来开展的 不动产信息管理，由于用地信息和自然幢信息的二维表述，使得存量的不动产信息挂接不直观方便且容易出错，这将迫切需要三维不动产管理模式来改变原有的二维管理模式。作为自动化程度较高的“无人机倾斜航拍+地面定点拍照”实景三维建模空地融合解决方案，将是最合适的城市三维模型生产技术，它将最大 限度地缩短工期，降低成本，提高可视质量和位置精度。这种新的概念框架、方法和技术，将为城市的管理 和发展插上智能化的翅膀。
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