采用无人机倾斜摄影测量技术获取房屋建筑的高精度数据

　　目前无人机航拍技术在建筑、军事、规划、灾害监测等领域的应用越来越广泛。然而，普通的无人机只能从地物顶面进行拍摄，获得的遥感影像为二维平面影像。该类遥感影像无法看到地物的侧面纹理信息，为了使航拍影像更加多的展示地物全貌，无人机航拍技术必须实现对地物三维信息的获取。目前无人机航拍技术与倾斜摄影测量技术结合，使得采用无人机航拍影像进行地物三维模型构建成为可能。如今越来越多的研究人员采用无人机航拍影像构建地物三维模型，如李军、鲁恒等进行了地震灾区三维模型构建，王植等进行了露天矿三维模型构建，李红林等进行了京沪高铁三维模型构建等等。在地震灾害的形成过程中，以建筑生产线的损毁最为常见和频繁，其中房屋基础数据的调查与收集是建立防震减灾对策最为重要和难度最大的工作，房屋数据是评估城市抗灾能力的基础，也是预测区域灾害损失必不可少的数据之一。目前房屋基础数据的获取主要靠野外调查，如在2000年，合肥市地震局依托“合肥市防震减灾示范研究与应用”项目开展了合肥市房屋基础数据野外调查，并建立了合肥市房屋基础数据库;2008年中国地震局地质所、四川省地震局等单位依托地震行业专项开展了南北地震带房屋基础数据抽样调查等。野外调查耗时耗力，为更好的获取房屋建筑的高精度数据，本文中采用目前较为流行的倾斜摄影测量技术进行建筑三维模型构建，为建筑物数据的获取提供基础。

　　1 研究方法

　　倾斜摄影是指采用具有一定倾斜角的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影测量技术主要是在同一遥感信息采集平台上搭载多台传感器，可同时从垂直、倾斜等不同角度采集地面物体更加完整准确的信息，是近年来国际测绘遥感领域中发展起来的一项高新技术。基于倾斜摄影测量技术构建的场景三维模型，可以真实展现地物全方面纹理信息，同时经过对无人机航摄像片及其对应的POS信息进行的空三解算，可以使构建的三维模型具有更加精准的空间位置关系。本文中采用无人机倾斜摄影测量数据进行区域三维模型重建，展现研究区各类建筑物真实面貌，精度高、纹理清楚，为房屋建筑类型、房屋占地面积、房屋建筑面积等基础信息的获取提供基础。

　　采用无人机倾斜摄影测量技术实现区域建筑物三维模型构建，需要解决以下3个方面的问题。

　　1）影像预处理

　　首先需要对采用无人机倾斜摄影测量技术获取的遥感影像进行质量筛选，去除飞机起飞、降落期间的影像以及畸变和模糊的影像，同时对应处理POS信息，以提升后续三维模型构建的效率以及精度。

　　2）特征提取

　　在采用无人机倾斜摄影测量技术进行建筑物三维模型构建过程中，需根据获取的无人机航拍影像的特点及研究区的特点进行提取算法的选择以及优化。

　　3）三维结构解算

　　采用无人机倾斜摄影测量技术获取的遥感影像与对应的POS信息进行研究区三维模型构建，首先需要进行点云模型构建。对于无人机航拍的遥感影像，首先要进行相对定向，完成每一景影像的相机位置的估计，恢复遥感影像在空中成像时的相对位置;其次进行稀疏点云重建，从无人机倾斜摄影测量技术获得的一系列不同角度的图像中寻找同名点，使得同名光线对对相交。根据同名点对利用空中三角测量，计算出图像的空间位置并估算图像相机参数。然后根据遥感影像自身特征计算出密集的三维点云，完成点云模型构建。通过获得的点云模型计算研究区数字正射影像（DOM）及不规则三角网，进而获得城市二维平面地图及三维模型。

　　POS数据记录了无人机倾斜摄影测量技术获得的遥感影像在成像时的影像名称，影像中心位置（经度、纬度、绝对航高）与无人机飞行的姿态（航向角、俯仰角、横滚角）。可用来进行三维结构解算。

　　2 基于倾斜摄影测量技术的建筑物三维模型构建

　　2.1 测区概况

　　本次无人机航测的区域为吐鲁番市主城区，吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区中东部，天山南麓，吐鲁番盆地中部。吐鲁番市与毗邻的鄯善县、托克逊县共同隶属新疆维吾尔自治区吐鲁番地区。吐鲁番市有维吾尔族、汉族、回族等民族。

　　吐鲁番市的地势主要为北高南低中间凹。北部有火焰山横贯吐鲁番市，地势较高;中部为平原区，地势低洼;南部兼有山丘、戈壁、荒漠三种类型，地势较中部平原区略高。吐鲁番属典型温带大陆性气候，气候干燥少雨。吐鲁番市太阳辐射较强，夏季温度较高。本次无人机航测的区域位于吐鲁番市中部平原区，作业区域为平地，无人机航飞当日无风，能见度较好。

　　2.2 外业数据获取

　　2014年4月12日，研究小组采用无人机低空影像采集平台采集了吐鲁番市主城区影像信息，无人机飞行平台上搭载了五台面阵相机作为传感器，从前视、后视、左视、右视、下视5个角度获得地物信息，每一点位按照固定程序同时曝光拍摄五张影像。获取的影像数据地面分辨率为59mm，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，航摄仪为SONY相机，焦距35mm。

　　本次航飞的无人机自带IMU/DGPS系统，可以在航飞时自动获取并计算每一景影像对应的POS数据。其中IMU系统主要由陀螺仪、加速度计、数字化电路、中央处理器等部分组成，可以获取无人机的速度、方向等信息。GPS系统包含GPS接收机，在搜索GPS卫星信号的同时，完成无人机位置信息的计算。

　　2.3 建筑物三维模型构建

　　经过航飞后，无人机低空影像采集平台采集了吐鲁番市倾斜摄影测量数据，本研究提取了主城区尤其是吐鲁番市人工湖、博物馆附近主要区域，相邻4条航线，共20个空间位置数据，每个空间位置有前视、后视、左视、右视、下视5景影像共100 景影像，进行区域三维模型构建。提取的100景影像的相机空间位置分布如图3左图所示。提取的数据经过影像质量筛选，剔除了飞机起降及畸变、模糊的影像，同时提取与每一景影像相对应的POS信息，以提升后续三维模型构建的效率及精度。

　　在准备好无人机航拍影像和对应POS信息的基础上，进行研究区建筑物三维模型的构建。首先进行空中三角测量，在进行空三时，需要对影像中的同名点进行识别，本研究在进行空三时，加入了地面连接点，以提升数据匹配精度，连接点的空间分布所示，地面连接点在航测区域内均匀分布并覆盖整个区域，实现了区域影像数据位置的精准控制。

　　3 结论与讨论

　　本文中采用目前较为流行的倾斜摄影测量技术完成了区域大重叠度无人机遥感影像三维模型构建，打破了传统遥感影像仅采集建筑物屋顶信息的局限性，获取了研究区建筑物的三维纹理信息，可更好的为灾害评估、应急救援、震后重建等工作服务。

　　（1）本文中提出了基于倾斜摄影测量技术的吐鲁番市主城区三维模型构建方法，本方法构建的模型纹理清晰，更加真实，同时针对一系列不同角度的无人机航拍影像的处理过程全自动化，建模效率高。

　　（2）本文中建立的研究区正射影像图及建筑物三维模型总体精度较高，可结合3S技术快速判读建筑物占地面积、建筑面积及建筑物类型等信息，为地震灾害主要承灾体——建筑物数据的获取提供了基础。补充了现有数据获取主要靠野外调查的不足。

　　（3）受数据处理硬件设备的限制，对大区域的三维场景实现一次性构建较难，本研究仅提取吐鲁番市部分区域作为研究区进行三维模型构建，若进行工程化大区域数据获取，可采用分块建模再拼接方式或采用提升硬件配置等方式解决。

　　（4）倾斜摄影测量数据为无人机低空数据采集平台搭载的五台面阵相机按一定角度在同一时间拍摄形成，受飞行高度及角度限制，地面部分区域存在遮挡，地面低处三维模型质量欠佳，若进行精细模型构建，可采用第三方软件集成地面采集数据进行模型精修，完成精细重建。

　　本研究仅考虑了采用倾斜摄影测量技术进行研究区建筑物三维模型构建的方法，今后可进一步进行模型精修，获取高精度三维模型，并进行相关数据提取技术研究，深化三维模型在防灾减灾方面的应用力度。

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