文／汪翔宇、黄光辉、廖静、李洋、李丛天 湖北省鄂东南基础工程有限公司 湖北黄石 435100
基于现有的应用经验，三维城市建模活动中的常用方法如下：（1）借助基础测绘数据进行建模，其在应用中会使用DLG 二维矢量数据来得到建筑物基础轮廓，随后在人机交互作用下得到高精度复杂模型。得到的模型建设精度较高，但前期获取数据时所投入时间成本和经济成本较高，不适用大面积建筑群建模。（2）利用遥感影像进行建模，其在应用中会使用相关算法从影像中提取基础数据，随后再进行三维模型的构建，在影像采集时多使用无人机倾斜摄影技术来获取影像数据，具有较高的便捷性与高效性。（3）利用三维激光扫描进行建模，借助三维激光扫描仪来整理高精度点云数据，按要求对数据进行去噪、空间配准、表面重建以及纹理映射等处理后，为建模提供可靠依据。该建模方法应用成本较高、操作过程复杂、工作总量较大，较难推广到大规模三维建模活动中。（4）基于过程式进行三维建模，对于所有模型参数进行整理，利用算法来管控建筑物几何造型。在具体应用中会应用到人工智能技术、数学模型来优化建模环境，得到准确可靠三维模型。此类建模方法在应用中具有人工交互较小、建模效率高等特点，在大规模三维建模活动中具有良好应用价值。
2.1 工作原理
无人机倾斜摄影测量系统是一种以无人机为飞行平台，以各类传感器为主要载荷，能够获取遥感影像信息的无人航测数据获取系统。无人机倾斜摄影测量系统主要由无人机飞行平台、任务传感器系统、地面保障系统组成。其中无人机飞行平台主要包括飞行器平台、推进系统、飞行控制与导航系统、机载数据传输系统等；
根据用途和功能不同，常搭载的任务传感器的系统主要有多视角航空摄影测量仪器、小径合成孔径雷达、高光谱成像系统、小型机载雷达、气象传感器等；
地面保障系统主要包括起降系统地面服务部分、数据传输系统地面部分、地面监控系统、地面后勤人员、其他地面辅助设备等。
2.2 应用优势
无人机倾斜摄影系统在应用中，具有以下应用优势：（1）获取数据的精准度更高，在系统应用中会使用到数码传感器、无人机、GPS 系统、高清摄影机等设备，这些系统的优化组合，能够有效提高获取数据精准度。相较于卫星影像的分辨率，无人机倾斜摄影技术在应用中的精准度更高，为三维城市建模提供可靠测量数据支持。（2）测量过程的灵活性高，无人机作为重要工作载体，可以根据城市建筑高度动态调整无人机飞行高度，以此来保证获取数据的完整性，为三维建模活动的快速进行提供参考。（3）测绘效率较高，三维城市建模活动中需要采集大量基础数据，传统测绘技术需花费的时间成本较高。无人机倾斜摄影系统的应用，能够在短时间内完成区域内所需数据的测绘，通过影像、照片等途径得到完整的测绘数据，从而缩减了外业测绘与内业测绘之间的时间间隔，提高所整理测绘数据的利用价值。
3.1 系统基础参数设置
为保证测量活动的有序推进，需做好基础参数的合理化设计，总结以往应用经验，实践中应注意以下几点：（1）合理规划飞行航向，在城市边界红线的基础上扩增10%-15%，无人机飞行航向会沿着城市最长边进行布置，在减少飞行次数的同时，能够减少无人机飞行次数。（2）无人机上搭载的高清相机数量为5 个，其中1 个相机倾向为90°，剩余4 个相机的倾角设置为40°，正摄像机的焦距调整为30-35mm，而倾斜摄像机的焦距调整为50-55mm，分辨率调整为0.08m。（3）控制好无人机飞行高度，通常情况下，无人机飞行高度会控制在450m 左右，可根据地面上建筑物密集度来调整飞行高度，尽量维持飞行高度统一性，减少后期像素校正时的总工作量。（4）在前期规划活动中，航向重合率不能低于80%，旁向重合率不能低于70%。（5）无人机平台中装载的传感器尺寸调整为5826×3684 个像素，而各个像元尺寸控制在6.32u。（6）基于城市气候条件、建筑密度来设计无人机飞行速度，一般情况下会将飞行速度控制在6m/s-12m/s，根据现场实际情况做出调整，从而得到完整的测量数据。
3.2 像片控制测量作业
为得到准确可靠的测量数据，在前期也需要做好像片控制测量作业。从具体应用情况来看，应重点关注以下几点：（1）城市建模的工作总量较大，为便于后续数据整理，需根据前期得到的踏勘数据，将待测区域细分为若干子测量区域，所有像控点则会布置在区块轮廓线外围，起到定位区块边界线的作用。（2）进行像控点位置的选择时，需要优选通视条件良好、容易进行识别、不会存在争议的位置，若待测区块内存在一些地物标志，例如标志建筑、城市LOGO 等，也可以选择这些位置作为像控点，便于数据采集活动的快速进行。（3）对于城市建筑物密集度较高的区域，在测量时容易出现视线遮挡问题，为得到准确的测量数据，可适当增加区域内像控点密度，尽量保证测量数据的完整性。后期也会通过GPS 测量和全站仪测量来补测遗漏位置，提高所整理数据的完整性。（4）所有像控点的布置位置应远离交通环境复杂、高压线路、临河（湖）等区域，降低外部因素带来的不确定影响。另外，初始像控点在使用前，需要进行坐标校核，得到准确坐标值后再进行应用，为后续像素调整、三维建模活动的开展提供可靠支持。
3.3 提取相关点云数据
进行三维城市建模时，需要做好点云数据的提取工作，为后续建模活动的推进提供良好参考。在具体实践中需要注意以下内容：（1）在三维城市建模活动中，所需要整理的数据类型包括垂直数据和倾斜数据，为得到合理的数据分析结果，在数据分析中会利用多视角联合模式对数据进行处理，实现连接点数据的提取和纠正，得到完整的密集点数据。（2）在的点云数据的采集与整理活动中，也需要根据实际建模情况来完成数据提取与合并，而且在POS 数据处理活动中，也会使用特质匹配方法来对数据进行综合整理，保证所有整理数据的完整性与精准性。得到的数据整理结果，其对外输出格式需调整为DSM 格式，便于三维城市建模活动的顺利进行。
3.4 空中三角测量作业
在三维城市建模活动中，3ds Max 属于常用处理软件，为便于属于后续处理活动的进行，在空三加密环节会使用基于 POS 的空中三角测量，暂时不加入外业控制点。整个环节的具体作业流程如下：（1）对于采集到正向摄影和倾斜摄影数据进行相机校验与改正，得到初始质量较高的应用数据。（2）正向影像数据所得到的POS 数据整体精度较低，对其进行空三加密处理时，可以借助Pixel Grid 系统来对数据进行空三加密处理，从而得到精准度较高的外方位元素。（3）基于无人机平台上相机摆放位置的相对关系，对于航向倾角和旁向倾角进行调整（调整幅度为40°），以此来得到相应的外方位元素。（4）倾斜影像的初始POS 数据也会直接导入到Pixel Grid 系统中进行空三加密处理，最后也会将正向和倾斜影像数据进行联合空中三角测量，误差控制在2/3像素内，便于后续分析活动的顺利进行。
3.5 进行三维城市建模
3.5.1 总体建模思想
在三维城市总体建模活动中，其总体建模思路如下：（1）将得到的预处理数据，直接录入到3ds Max 软件中展开进一步处理，前期在空中三角量测作用下，能够得到更加精准的外方位元素，这些元素也会根据像控点布置情况提前做好分类，以加快三维城市建模活动的开展进度。（2）充分利用3ds Max 插件来对数据信息进行整合，依托插件中的共线方程和立体量测方法，可以得到雏形三维模型。（3）利用软件对目标物各面上的纹理信息进行提取，并且在软件中实现纹理内容的自动映射，提高建模结果的逼真度和还原度。（4）对于模型的细节进行修饰，同时对于各类参数精准度进行调整，满足要求后可对外输出模型，为后续其他活动的进行提供良好参考[1]。
3.5.2 具体建模过程
在城市建模活动中，所需要搭建的模型包括地面模型和建筑物模型。前者在应用中，会使用数字高程模型来制作，将前期整理得到的DEM 数据，录入到数字高程模型中进行处理，经过多次叠加后可以得到 DOM 数据，并建立相应的地面模型。后者在应用中，则使用3ds Max 软件来进行处理。在软件的具体运营中，会基于屋顶特征来对建筑物进行分类（如平屋顶建筑物、坡屋顶建筑物等），依托建筑物特点依次完成建模，提高建模结果的完整性与准确性。在具体的建模活动中，也需要注意以下内容：（1）做好各类地物要素的整理工作，内容包括像控点整理、建筑物精度分析等，同时借助软件自动提取等高线、高程控制点等参数，便于建模活动的快速推进[2]。（2）对于建筑物密度较高的区域，初期获取数据的完整性较低，因此也需要在后期使用补测的方式来得到完整和精准测量数据，以便后续活动的有序推进。
3.6 检查点精度验证
完成三维城市建模工作后，需要对模型绝对精度进行校核，满足要求后才可以进行使用。现阶段行业捏还没有对倾斜摄影测量技术的三维模型精度做出明确规定，对此，在精度分析活动中，可以基于数字精度检测规范中的高精度检测要求，来对模检查点精度进行校核。具体计算中所使用的计算方式如公式（1）、（2）、（3）、（4）所示：
式中，m 为检查点数量；
LX 为横坐标中误差；
Ly为纵坐标中误差；
Lz 为高程坐标中误差；
Lxy 为坐标系中误差；
xa为横坐标检查点偏差；
ya为纵坐标检查点偏差；
za为高程坐标检查点偏差。将相关数据代入后，可以得到相应的中误差数据。得到的数据会和标准数据进行对比，满足要求后可进入下一作业阶段。
3.7 模型测量精度验证
基于以往应用经验可以得知，模型中的构筑物误差会大于地面误差。造成此类问题的主要原因如下：倾斜摄影所建的三维模型是由许多点云数据组成，这些点云数据主要是由不规则三角网，通过并联纹理处理后构成。所建立的三角网精细度容易受到相机分辨率影响，无法直接模拟构筑物直线轮廓，尤其是建筑的拐角，无法通过三角网来获取精准数据，造成量测误差。基于此，在模型量测分析活动中，也需要借助软件来对量测误差进行修正，并且在前期设置像控点时，也需要根据地形波动情况、建筑物密度，来调整像控点密度，以降低所得数据误差，提高三维城市建模结果的可靠性[3]。
3.8 外业调绘及补测
除上述提到的应用要点外，在三维城市建模活动中也需要做好外业调绘及补测工作，其作用是在发现构筑物模糊、影像变形等问题时，通过外业调绘及补测的方式得到完整和准确的测量数据。无人机倾斜摄影技术在使用中可有效减少视野盲区，但是此技术的应用依旧会受到地形地貌、建筑分布情况等内容的影响，导致摄影盲区问题。基于此，在实际在工作中也需要借助其他测量技术来弥补不足，提高获取数据的完整性与科学性。一般情况下，多使用RTK、全站仪等测量技术进行补测，所得到的测绘数据转换格式后录入到计算机软件中展开进一步处理。需要注意的是，补测数据需要利用不同编号进行备注，便于数据提取和处理活动的高效进行[4]。
4.1 明确恰当测量时机
为保证无人机倾斜摄影技术的应用效果，需要在前期明确恰当测量时机，降低外部因素 带来的负面影响，获取完整和准确的测量数据。基于以往应用经验，实践中应注意以下几点：（1）加强城市气象监测工作，结合该地区的气候特征，优选天气晴朗、空中无云、地面无风（微风）的天气作为无人机倾斜摄影测量天气，如果测量活动中遇到了突发气候（如降雨、降雪、降温、大风等），也需要及时收回无人机，防止出现无人机坠机事故。（2）科学选择无人机倾斜摄影时间，外部光照强度较大时，会增加曝光率，降低影像信息的完整性；
若外部光照强度较小，会降低影像信息的清晰度，增加补测次数。对此，在晴朗天气下应在9:00-15:00 这一时间段内开展无人机倾斜测量工作，具体是时间会根据当天气象波动情况做出调整，保证获取影像数据的完整性与清晰度。
4.2 加强测绘误差控制
在无人机倾斜摄影技术应用过程中，受到各类因素影响也会带来测绘误差问题，从而影响三维城市建模结果的精准度。在具体地控制活动中也需要注意以下内容：（1）加强系统误差控制，在技术应用前需要对相机焦距、相机倾斜角度、无人机飞行参数、软件初始化参数等内容进行控制，并且在设备使用后也需要做好养护工作，更换磨损、损坏零配件，保证设备工作状态的稳定性，降低系统误差问题。（2）做好偶然误差控制，包括测量天气、飞行高度、飞行速度、测量时间段等，尽量减少不确定因素带来的负面影响，得到准确、完整的测量数据。（3）做好像片控制点坐标校核，满足精度要求后再进行应用，为点云数据整理、空三加密处理活动的进行提供良好参考，提高测绘结果的准确性。
4.3 做好数据整合存储
在三维城市建模活动中，需要采集数量众多、种类繁多的测量数据，为提高所整理数据的应用价值，需做好数据整合与存储。具体实践中也需要注意以下几点：（1）对于已采集数据进行分类，根据目标物类型对采集数据进行分类，包括道路数据、水域数据、建筑物数据等，同时会对采集数据基础属性进行标记，并按照时间线来对数据进行排序，为数据整理活动的进行提供良好参考。（2）在数据整理过程中，也需要做好价值数据提取与整合，通常情况下，可以借助大数据技术、信息技术来提取价值数据，建立单独数据库，这些数据也会为城市规划活动的进行提供良好参考，同时也可为平台完善提供良好参考。
4.4 组建专业测量队伍
相较于传统的测量技术，无人机倾斜摄影测量技术在应用中，具有良好的便利性。但是该测量技术在应用中，对相关人员的综合能力要求较高，测量队伍成员的综合能力，也将影响到所得测绘结果的精准度。基于此，在初期组建测量队伍时，需要做好相关人员综合能力的考核工作，为提高考核结果科学性，会依托信息技术来建立量化评估体系，评估指标包括专业能力、工作能力、执行能力等，根据评估结果，筛选综合能力较强的测量人员来组建专业测量队伍。在日常工作中也需要做好能力培训工作，细化培训课程中的相关内容，同时在培训活动结束后，会对相关人员学习情况进行考核，得到的考核结果，会作为后续课程优化时的重要参考；
另外，考核结果会和个人绩效直接关联在一起，提高人员对培训活动的重视度。
综上所述，无人机倾斜摄影测量技术在应用中具有测量精度高、工作效率高等优势，目前已经在许多领域中得到了推广。在三维城市建模活动中引入无人机倾斜摄影测量技术，一方面，可以在较短时间内得到完整、准确的测量数据，加快三维城市建模进度；
另一方面，能够提高三维城市建模精度，促进城市建设活动的有序进行。