无人机拍照

无人机遥感技术在实景三维模型构建中

的应用

摘要：随着科学技术的发展，我国的无人机遥感技术有了很大进展，并在实

景三维模型构建中得到了广泛的应用。在测绘行业中，矿山高精度测量是一项重

要工作。矿山测量的难度在于坡度较大、地形复杂，不利于绘图工作的展开。随

着无人机航测技术的发展，倾斜摄影测量已成为矿山测量的重要手段。本文首先

分析了基于无人机倾斜摄影的三维建模原理，其次探讨了无人机遥感技术在实景

三维模型构建中的应用，以供参考。

关键词：无人机；倾斜摄影测量；三维建模

引言

传统的三维建模方法主要有三种:基于二维矢量数据、基于摄影测量技术以

及基于三维激光扫描技术，但这些方法存在数据量大、作业周期长、建模效率低

等缺点，且无法还原真实场景。倾斜摄影测量技术的出现改变了这一现状，它通

过飞行平台搭载的五镜头相机，能够快速高效的采集地物多角度纹理信息，将地

物特征真实立体还原，具有获取数据简单、建模效率快、真实感强等优势。

1基于无人机倾斜摄影的三维建模原理

倾斜摄影测量的工作方式与传统的垂直航测有一定的区别，传统的垂直航空

摄影由1个相机垂直向下拍摄，只能获取正射影像。而倾斜摄影通常具有1个垂

直相机和4个倾斜相机，可以实现对地物顶部和多个侧立面的位置和纹理信息进

行采集，再通过内业的几何校正、平差、多视影像匹配等一系列处理，得到既有

几何外观、又有真实彩色纹理的实景三维模型。1）加载原始数据，包括无人机

垂直及倾斜影像、相机参数以及POS文件（无人机拍照瞬间的三维坐标及飞行姿

态）。2）多视影像联合平差。多视影像是指垂直影像和多个角度的倾斜影像。

由于存在几何变形和遮挡，在数据处理时需要把相机曝光瞬间导航系统所测得的

外方位元素作为初始值，采用由粗到细的金字塔匹配策略，完成连接点的全自动

提取，并进行区域网平差。3）密集匹配，三维白膜构建。平差通过之后借助于

匹配算法，确定各影像之间的同名点，得到高密度点云，然后基于点云数据构建

不规则三角网。这些三角网可作为实景三维模型中的基础模型，即“三维白模”。

4）纹理映射。倾斜摄影的数据量较大，同一地物通常会有多张影像，因此需要

选择一张最符合要求的影像。通常计算机会通过算法自动计算、选择，得到每个

三角网对应的纹理范围。最后将地物的纹理信息映射到白膜模型上，得到最终的

实景三维模型。

2无人机遥感技术在实景三维模型构建中的应用

2.1三维空间分析功能

将实景三维模型与BIM数据集成于同一三维空间后，借助于平台强大的GIS

分析功能，可在三维场景中实现各类实用的三维分析功能。

2.2测绘数据处理

相较于传统人工数据处理工作而言，无人机遥感技术进行数据处理时，无论

是数据处理效率还是数据处理质量都有较大程度的提升。由于无人机遥感技术一

般情况下无法形成单独的产品，因此需要通过相应软件进行处理。利用无人机遥

感技术拍摄的影像排列不规律性，飞行时角度问题也会使影像发生变化。因此需

要将无人机获取的影像数据传输至数据处理系统中，对这些数据进行有效组织和

匹配，并与GPS技术相结合，获取更准确的影像内外方位元素。另外，工作人员

还要对影像进行辐射处理和颜色修正，确保获取高质量的测绘成果。

2.3BIM深化应用

1）模型库与设计管理。对所有BIM模型进行统一管理，支持模型漫游、量

测、属性查询、图纸关联、剖切、二维码查询、模型信息统计等操作，实现设计

图纸查阅、变更管理、图模校审等。2）进度模拟。通过WBS与模型编码，将进

度信息关联到BIM模型，通过模型展示未建、在建、已完成等工程状态，实现对

进度的对比、分析和反馈。3）施工场布管理。辅助施工便道设计和变更，优化

施工现场平面布置方案。4）施工安全。在BIM模型和实景三维模型集成场景的

基础上，结合视频、全景、门禁系统以及其他传感器实时回传的数据，实现人员

进出的可视化管理，自动检测人和设备的各类行为，对工人的非法操作以及仪器

设备的异常状态进行及时报警。5）风险管控。业主可通过模型的完成程度直观

查看工程进度，通过模型与实景模型的比对，分析施工偏差，并将工程联系单、

验收记录表、施工检测记录等工程施工过程文件挂接到模型上，做到质量问题可

追溯。

2.4全景图数据在三维场景中定向和定姿

一般情况下,全景数据采集通过在车顶部架设专业相机,同时携带IMU和GPS

系统,能够实时记录拍摄瞬间的相机坐标(X,Y,Z)、姿态信息(Roll,Pitch,Roll或

Phi,Omega,Kappa)和时间戳,通过厂商提供的SDK生成宽高比2∶1的全景影像。

全景影像在三维场景中以球体为投影面展示,投影方式参照等距圆柱投影、逆向

投影的方式根据记录的相机姿态,球体旋转相应的角度。

2.5实景三维建模

采用ContextCapture软件进行实景三维建模，首先在ContextCapture中导

入倾斜影像、POS数据，经过特征点提取、相对定向、连接点匹配、区域网平差

等步骤的运算处理，获得试验区空三结果。根据空三结果，在ContextCap-ture

中高效提取影像特征点，生成高密度点云数据。为了提高数据处理效率，对整个

区域分55个建模单元进行精细构建TIN模型，最后通过自动纹理映射生成试验

区的大场景实景三维模型。

2.6特殊工况的测绘测量

工程测量中通常利用无人机遥感技术针对指定区域和指定对象信息进行采集

和处理。在具体对此类信息采集过程中，需要根据测量目标来选择适宜的采集手

段，可以选择手动采集或是应用自动加密技术。自动加密技术即利用航拍设备与

传感器对采集的数据进行存储，通过对数据进行加密来保证信息的安全。这些数

据需要具有访问权限的人员才能使用，这样可以保证数据的安全。利用计算机遥

控系统对数据进行手动加密处理，具体要与本站数据采集预期相结合，指挥无人

机开展定向拍摄，可以保证信息的准确性。利用无人机遥感技术对于一些大型复

杂工区进行测量，能够针对特殊工区信息进行全方位采集。在实际工程测量工作

中，大型复杂工区是测量工作的难点，而且测量质量直接关系到数据的完整性，

利用无人机遥感技术全面采集测绘区域内的信息，可以为工区管理工作的有序开

展提供重要的保障。实际无人机遥感技术在工程测量中应用时，需要使用适配飞

行器。在具体测绘工作中，需要对目标区域地形地貌绘测方案进行设计。由于无

人机飞行中拍摄的影像会缩小像幅及增大偏角，这种情况下宜利用空中三角技术

对影像进行纠正，使航拍过程能够将全部地理位置进行覆盖。在实际工程测绘工

作开展过程中，获取数据信息作为测绘的基础，而且数据准确性也会给测绘质量

带来直接影响。利用无人机遥感测绘技术有效地保证了测量信息的准确性，而且

针对一些特殊工况环境具有较好的适应性，可以有效满足工程测量的具体要求。

结语

无人机倾斜摄影技术目前已经成为获取实景三维模型的一种重要方式，而随

着网络技术、计算机软硬件技术的发展，WebGIS与客户端GIS的差距不断缩小，

同时还具有跨平台、易更新、易推广、无需安装的特点，便于广大群众更加简单

快捷地获取地理空间信息。

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武汉:华中科技大学，2019