无人机倾斜摄影三维建模方法详解

　　近年来，各地的智慧城市建设正如火如荼地展开，城市三维数字模型逐渐成为构建智慧城市的重要基石，地理信息系统作为城市建设的基础内容，也越来越受到重视。

　　GIS模型展示及测量应用

　　新兴的倾斜摄影技术能建立高质量的城市三维GIS模型，结合BIM技术为智慧城市建设提供有力支撑。基于GIS的实景三维模型可以服务智慧城市建设，同时，在规划、国土、水利、旅游等领域的应用也意义重大，前景广阔。

　　此次倾斜摄影三维建模包括对项目范围内20余平方公里的航测数据采集和后处理，目前，建模工作已完成，本文将对无人机倾斜航测技术及数据处理进行介绍。

　　倾斜航测基本原理

　　倾斜摄影是近年来航测领域逐渐发展起来的新技术，相对于传统航测采集的垂直摄影数据，通过新增多个不同角度镜头，获取具有一定倾斜角度的倾斜影像。

　　应用倾斜摄影技术，可同时获得同一位置多个不同角度的、具有高分辨率的影像，采集丰富的地物侧面纹理及位置信息。

　　基于详尽的航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配等一系列操作，批量建立高质量、高精度的三维GIS模型。

　　航测数据采集及处理

　　航测范围确定

　　航线规划软件(地面站)的地图数据来源于Google Earth，规划航线之前，在Google Earth中确定项目航测范围，了解航测地貌，进行合理的飞行架次划分，优化航拍方案，提升作业效率。

　　航线规划及参数设定

　　倾斜航测的飞行参数包括高度、速度、拍摄间隔、航向间距、旁向间距等，不同的参数设置对航测的精度、效率等产生影响。

　　航测作业前，综合考虑飞控距离、电池消耗、地形地貌、建筑物分布、测量精度等因素，使用地面站软件进行航线规划和参数设定，飞行高度、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。

　　无人机航测作业

　　地面站设置及无人机组装完成后，即可开始航测作业。无人机将依据指定的航线及参数设置，自动完成航拍任务，操作人员观察无人机位置及地面站实时飞行参数即可，每天可完成2-3平方公里的航测任务。

　　倾斜航测采集的数据包括各拍摄点的多角度影像信息和对应的pos数据。影像信息由五镜头相机获取，无人机搭载相机以恒定速度对地面进行等距拍照，采集到具有70%重叠率的相片;

　　pos数据由飞控系统在相机拍照时生成，与相片一一对应，赋予相片丰富的信息，包括经纬度、高度、海拔、飞行方向、飞行姿态等。

　　多角度影像(左)及pos数据(右)

　　航测数据后处理

　　采用ContextCapture完成本次航测的后期GIS数据处理。ContextCapture是基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件系统，软件建模对象为静态物体，辅以相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息，在进行空中三角测量计算、模型重建计算后，输出相应GIS成果，以供浏览或后期加工。常见的输出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等。

　　1、pos数据整合

　　飞控系统生成的pos数据包含后处理所不需要的信息，且格式也不符合后处理软件的使用要求，不能直接用于后期数据处理工作。原始pos数据进行筛选、分类处理后，才能用于后处理软件。

　　2、空间三角测量计算

　　航测过程中，照片组对应姿态的精确性可能会受到影响，致使影像信息缺失。而ContextCapture进行三维重建时，要求各个照片组具备非常精确的属性以及对应的姿态参数，此时可以通过空中三角测量计算对影像定位信息严格配准，选定参数自动准确估算每幅影像的位置、角元素和相机属性，获得缺失的影像信息。

　　空中三角测量计算是后期数据处理过程中的重要一步，其生成的粗略3D视图有助于理解相片和拍摄场景的空间结构，同时空间三角计算结果也是三维重建计算的基础。

　　3、三维重建计算

　　三维重建计算在指定坐标系下完成，本项目采用WGS84坐标系。由于拍摄范围大，影像数据多，完成重建所需的计算机内存往往达到上百G，普通计算机无法一次性完成重建计算，应根据计算机性能重建框架，调整重建范围及瓦片大小，将原框架分为若干个大小相同的数据切块，分块进行重建计算。

　　4、数据集群处理

　　集群处理可按如下操作进行：搭建局域网，将一台计算机作为服务器，局域网内其他计算机作为节点连接至服务器组成群组，任务提交后，服务器统一分配子任务至各节点。节点完成子任务后，将处理结果返回至服务器，并接受新的子任务直至任务完成。

　　相对与单机进行数据处理，集群处理有更高的可靠性和容错率，当群组中一个节点计算机出现故障，原本分配至此节点的子任务将自动分配至其他节点进行计算;同时集群处理也能降低成本，庞大的GIS数据量，对于单机的储存空间和数据处理速度都提出极大考验，将普通的计算机进行集群则可有效降低硬件成本，发挥与高性能计算机相当的运算能力。我们将34台计算机分为两个群组，集群进行三维重建计算，提高数据运算效率，在一周内完成了50多个架次，共计20余平方公里的数据处理。

　　基于ContextCapture建立的三维GIS模型，存在由于错误的影像匹配或者较差的几何姿态造成建筑变形(纹理拉花、结构扭曲、破面缺面等)、悬浮物、丢失部件等情况。通过天际航DP-Modeler软件对模型进行精修重建，使地物要素完整，从而达到后期三维GIS应用。智慧互联平台需实现对片区内的部分建筑进行单独的选中、赋予属性、查询属性、数据管理等操作，因此需对倾斜模型进行单体化处理。我们通过利用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，把连续的三角面片网从物理上分割开，从而实现单体化。

　　精修及单体化步骤：三维重建模型→补充影像采集→局部分离编辑→精细化修编重建→更新合并。

　　在BIM+GIS领域的深度应用

　　使用倾斜航测技术可在短时间内建立大规模的城市三维GIS模型，实现城市空间全方位、高精度的可视化表达。

　　本次无人机倾斜摄影三维建模，旨在推进湖南建工集团BIM中心在BIM+GIS领域的深度应用，有效地整合建筑信息和地理空间信息，构建出最重要最核心的基础数据库