巨迪雯 何龍 韓俊揚 劉秋燕

摘 要 傾斜攝影測量技術的應用契合市場對三維仿真度的要求，同時如何高效率的獲取高質量傾斜影像也是技術實現的難題，本文對比研究后選取八旋翼無人機搭載小型五拼航攝儀得到較好的初始數據，實現基于傾斜攝影測量技術下快速建模的應用。研究搭建自動實現web端三維模型可視化一體的平臺，使模型在網絡上對不同用戶進行共享。

【關鍵詞】傾斜攝影測量 五拼航攝儀 三維建模 自動化平臺

1 引言

數字城市的提出，將人們對地球的探索引向三維的表達方法。隨著社會對地理信息精度和可視化要求的增高，原有基于高程和地物頂部信息合成三維模型的手段不能滿足更高層次的需求。近年來提出的傾斜攝影測量技術，通過多角度傾斜拍攝，獲得地物側面紋理信息，達成大規(guī)模構建高仿真、高精度三維城市模型，很大程度上提高仿真三維建模的可操作性，進而得到廣泛的關注和推廣。在傳統(tǒng)分別搭載五個傳感器實現傾斜攝影測量的方法上，本文提出輕小型五拼傳感器與便攜旋翼無人機結合的處理方式，使彌補、完善后的飛行器將用于更廣闊的領域，如城市規(guī)劃管理、應急指揮、旅游產業(yè)等方面。不同領域對三維模型的需求，使三維模型在提出后。三維模型在不同方面的應用，使更多人感受到三維模型帶來的便利，大眾對三維模型脫離軟件走向瀏覽層面提出了迫切希望，本文基于Cesium地圖引擎將三維模型在客戶端瀏覽器中顯示，為用戶提供標記，量測，查詢定位，模型加載等功能。

2 傾斜攝影測量概述

2.1 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術，它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，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。拍攝相片時，同時記錄航高、旁向重疊度、GPS坐標數據等，為后續(xù)三維建模的分析整理提供有利條件。

2.2 傾斜攝影技術特點

將無人機傾斜攝影測量技術應用于構建三維城市，具有以下特點：

2.2.1 可操作性強

獲取數據途徑簡便快捷，后續(xù)無需作業(yè)人員再次現場拍攝；數據處理主要通過計算機軟件解算，自動化程度高。

2.2.2 三維模型更接近真實場景

相比于只從垂直角度拍攝的正射影像，大量傾斜影像可提供建筑物多角度紋理信息，補充地物的側面細節(jié)，使建模效果符合人眼真實場景，彌補了人工建模仿真度低的缺陷。

2.2.3 成本低

在相同的拍攝時長中獲取五倍數據，大量數據為批量進行特征點提取和同名點匹配提供先決條件，縮短節(jié)省建模時間，節(jié)約勞動力成本；直接獲取建筑物多面信息，減少航拍次數，降低儀器損耗。

2.2.4 具有較大的視場角

增添傾斜角度的航攝相機后，可根據傾斜攝影相機安放角度不同，可適當調節(jié)視場角。

3 傾斜攝影測量數據獲取

3.1 儀器介紹

3.1.1 八旋翼無人機介紹

無人機技術廣泛應用于農林，軍事，環(huán)境資源監(jiān)測等領域，復雜多變的地形為數據的采集增加難度，對比于固定翼無人機，旋翼可拆方便攜帶，且一定程度上可以克服起飛場地的限制；面對紋理繁多的地物，可進行空中懸停，延長數據獲取時間，大大提高工作效率。相比于四、六旋翼無人機，八旋翼無人機具有完整的驅動系統(tǒng)，在情況多變的野外具備動力系統(tǒng)雙發(fā)失效時飛行器可控。考慮到在救災、植保等方面的負載需求，不考慮上下疊層的四軸模式，選取具有八軸的動力系統(tǒng)，增加標準載荷。

3.1.2 五拼航攝儀

傾斜攝影測量技術需同時搭載五個傳感器。它是在下視相機的基礎上增加前視、后視、左視、右視4個傾斜相機，通過固件結構連接在一起形成的一個剛體，5個相機在攝影時達到同步曝光。不僅空間上得到充分利用，而且在性能上達成多臺相機的統(tǒng)一控制、存儲同步、與無人機一體化供電，避免裝置準備和數據提取工作的重復。單相機均采用SonyILCE QX1，焦距為35mm，傳感器分辨率為5456×3632，2010萬像素，像元尺寸4.2um，單相機存儲容量為16 GB，可存儲2000張影像。

3.2 實驗

3.2.1 測區(qū)概況

測區(qū)定于天津師范大學，位于天津市西青區(qū)西北部，西部與天津工業(yè)大學緊鄰，東部與天津理工大學接壤，學校占地面積3500畝、建筑面積84萬平方米。地理坐標位于東經E117°06' 46"-117°07' 34"，北緯N39°03' 12"-39°04' 14"。

3.2.2 航帶設計

采用五拼攝影儀進行傾斜攝影測量。航攝平臺在相對航高約300m的情況下，獲取下視地面分辨率0.36m的影像，旁向重疊度80 %+，航向重疊度80%+。

3.3.3 數據處理

如圖1所示。

傾斜攝影測量初始數據受各方面因素影響極大程度上降低了模型精度，其中受天氣影響造成的色差、受傾斜角度拍攝影響產生的幾何畸變干擾尤為顯著。所以本實的驗數據預處理主要包括色差調節(jié)和幾何校正兩部分，利用photoshop完成色差調節(jié)；利用兩個不同傾斜角度放置平行柵，找到成像系統(tǒng)的對稱中心，最小二乘法求出系統(tǒng)畸變參數的方式進行畸變校正。預處理后的大數據基于Smart 3D軟件進行空三加密，其步驟主要分為將控制點數據、POS數據、影像區(qū)塊導入，刪除3D view中飄離點，設置影響特征點選取的參數，進行連接點（即特征點）提取和匹配等。在連接點匹配時結合控制點數據可反向解算出外方位元素，得知每張圖片的空間位置關系。通過空三加密點構建不規(guī)則三角網結構，加上真實紋理映射，實現接近真實場景的三維建模。

4 系統(tǒng)搭建

4.1 平臺功能

Cesium是一個基于向對象的JavaScript語言編寫，使webGl進行圖形渲染的地圖引擎。利用Cesium開展平臺，創(chuàng)建三維虛擬地球，為用戶提供標記，量測，查詢定位，模型加載等功能。

4.1.1 標記

Cesium提供兩類API，其中Entity API可繪制空間數據如點、標記、標簽、線、3D模型、形狀、立體形狀（volume），基于此類可滿足用戶對某一地區(qū)標記畫線設置放置特殊幾何圖形的功能。

4.1.2 測量

用戶能通過量測功能進行對地圖上繪圖線段與多邊形面積的量測，即一種空間面積量測的功能。通過Cesium Math類中封裝好的方法即可實現。

4.1.3 查詢定位

Cesium中的Geocoder控件支持經緯度定位。通過Geocoder對已知的經緯度進行查詢，控制視口照相機的鏡頭實現畫面轉換。操作相機的方法有很多種，其中用戶可通過zoom to 直接定位、fly To動畫轉移等方式跳轉鏡頭進行定位。

4.1.4 模型加載

對于以往基于正射影像生成的三維模型可直接通過cesium js實現三位模型的加載?；趦A斜攝影測量技術構建的三維模型數據增加了信息量大量大、規(guī)模大等技術難點，為實現Web環(huán)境下批量三維模型數據的加載，Cesium新增支持二進制格式的3D-Tile數據的功能，可將Smart 3D 中構建的三維模型數據轉變?yōu)?D-Tile格式，利用Cesium中3D-Tile分支對傾斜攝影測量模型加載。

4.2 平臺實現

平臺包括數據層，服務層，客戶層。數據層放置屬性、空間等初始信息。服務層中分為數據進行處理、建模、模型數據格式轉換等模塊，將不同的模塊看作獨立的單元，增設簡明、容易的進入接口，提供函數級別的復用，以外接庫的方式插入服務層。采用混合云存儲技術實現對數據層和服務層中各種類型的海量數據管理，將數據分別放置于私有云、公有云達成信息安全的維護。客戶層基于cesium實現三維模型在瀏覽器中的可視化表達。根據平臺系統(tǒng)的分層設計原則，采用B/S結構，將系統(tǒng)龐大的功能核心集中于服務器上，客戶只需安裝瀏覽器實現應用功能，如圖2、圖3所示。

5 結語

通過上文論述可以看出，基于傾斜攝影測量技術，批量處理傾斜影像構建三維模型，簡化了原有的技術手段，豐富地物信息。將此復雜多變的過程搭建為一體化平臺，使建模工程趨于自動化。綜上，該平臺在完成的基礎上實現模型可視化，基本達成現代社會對三維表達全方位要求，但平臺中仍然存在明顯不足。如本文對天津師范大學進行實驗的成果中，部分水面明顯無影像貼合，局部建筑幾何扭曲。所以該平臺數據處理技術，仍然需要不斷改進、完善。

（通訊作者：何龍）

參考文獻

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作者簡介

巨迪雯（1996-），女，四川省成都市人。大學本科在讀，天津師范大學地理與環(huán)境科學學院地理信息科學專業(yè)。主要研究方向為地理信息科學。

何龍（1989-），男，河南省商丘市人。理學碩士。天津師范大學地理與環(huán)境科學學院助理實驗師。主要研究方向為地理信息系統(tǒng)應用與開發(fā)。

作者單位

天津師范大學地理與環(huán)境科學學院 天津市300000