闫永杰 马亚奇 冯绍山
宁夏回族自治区电力设计院有限公司 宁夏 银川 750001
摘要：通过无人机搭载五头倾斜相机来快速获取各个方位的地表影像数据，在内业通过数据处理恢复真实的站址三维模型，并利用三维实景模型开展地形图测绘，线路优化选线等工作，为电力勘测设计人员提供一种经济、方便快捷地获取站址的三维模型数据途径，并将其直观地在平台进行展示（目前已在奥维地图中完成110kV、220kV、330kV、750kV变电站的实地位置统计工作，共统计变电站200个），为电力线路测量提供空间分析、坡度计算、坡向计算等辅助功能，为电力工程三维设计提供真实直观的基础三维实景地理信息数据模型，满足电力工程三维设计要求，推动其发展，满足电力测量地表三维数据获取、管理及高效利用的全流程需求。
关键词：无人机 倾斜摄影 三维模型
1. 倾斜摄影测量技术介绍
倾斜摄影测量技术主要是从垂直和倾斜五个不同角度采集影像数据，在摄像时，记录如航速、航向、航高、纵向重叠和旁向重叠等姿态信息特征，最后通过倾斜数据处理软件对影像进行后期数据处理构建三维模型。无人机的产生使得倾斜摄影测量技术得到了迅速的发展，可以从一个垂直角度和四个倾斜角度获得高清立体的影像，所视角拍摄影像可以提供更多的信息，减少遮挡物的影响，而且可以在重叠区进行性相互验证，因此在获得其三维模型时，具有很大的优势。到目前为止，世界上大量的城市都进行过或正在进行倾斜影响测量，而且每几年就更新一次。倾斜影像的应用及需求是巨大的，但是其后期的模型数字化处理的问题没有成熟的解决方案。
2. 无人机倾斜摄影测量三维建模关键技术
基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模重建的关键技术由四部分组成：影像匹配，空中三角测量，密集匹配，构建三角网和纹理映射。
2.1影像匹配技术
影像匹配是数字摄影测量技术中的关键问题，影像匹配效果的好坏跟空中三角测量的计算结果息息相关。传统的密集匹配多使用单一的匹配基元，不能达到较好匹配精度。多视影像具有涵盖区域广、分辨率高的特性，同一地物会出现在多个不同视角的影像中，在进行匹配时可以尽可能地利用冗余信息，利用多视影像密集匹配算法快速提取多视影像的同名点，完成多视影像同名点的自动匹配，从而得到地物的三维数据。通过建立不同像片之间的连接关系，将所有的拍摄像片通过建立特征关系进行整合。影像匹配会获取大量同名点参与后续自动空中三角测量，因此影像匹配的精度也会影响空中三角测量的精度。
按照影像中需要进行匹配的像点的相对数目，影像匹配可分为稀疏匹配和稠密匹配两类。稀疏匹配产生稀疏的视差矩阵，主要用于确定视点与影像以及影像之间的相对位置关系。稠密匹配通常要求获得整个影像或者影像主要部分的深度图。按照匹配元素选择不同，影像匹配可以分为灰度区域匹配和特征匹配。灰度区域匹配按照像素灰度进行匹配，特征匹配使用边缘等影像特征进行匹配。实际上，像素灰度也是一种影像特征，特征也不一定是某些可以解释的几何特征。具有可分辨性、不变性和稳定性的属性都可以作为匹配特征,倾斜摄影测量利用的多角度密集匹配技术实现在不依赖位置和灰度信息直接匹配立体相对的同名点。
2.2空三加密技术
空中三角测量是通过前方交会和后方交会，利用较少的控制点坐标，求解未知点坐标和影像的外方位元素，用于模型定向和后续测绘产品的生成。
传统摄影测量空三加密的方法，是通过外业测量三个以上的地面控制点，然后通过共线方程，前房交会和后房交会求出加密点坐标。目前无人机倾斜摄影测量内业数据处理，一般采用光束法区域网联合平差，也称联合平差。联合平差是运用两种不同观测手段得到的数据进行平差，将 GPS/IMU 的初始信息，即像片的POS姿态数据作为外方位元素的初始值，和控制点坐标数据联合进行平差。根据 GPS/IMU数据和控制点数据在平差过程中所占权重比不同，会对整体平差精度造成不同影响。
2.3密集匹配技术
密集匹配的目的是生成密集点云，采用多视影像密集匹配技术，是倾斜摄影测量关键技术之一。其技术流程为在航带重建完成后，根据空三解算出来的外方位元素构建立体相对，使用多视匹配技术生成密集点云，由于多视影像的特征，它有和传统单一立体影像匹配不一样的特点。首先，因为多角度拍摄，会产生很多点云信息，冗余的信息可以用来纠正错误的匹配信息，因而得到精度更高的点云数据；然后，多视角拍摄能够尽力弥补拍摄盲区的特征信息，减少摄影死角达不到的地方特征构建。
2.4构建三角网技术
多视影像密集匹配完成后，即可获取高精度、高分辨率的数字表面模型，数字表面模型可以直观地体现地物的起伏趋势，是构建空间基础框架数据必不可少的产品。多视影像在完成光束法区域网平差后可以获取多视影像精准的外方位元素，然后选择一张质量较好的多视影像作为基准匹配单元进行逐像素的密集匹配，从而生成测区地物的高密度三维点云，最后通过对点云构建三角网即可自动生成高分辨率的 DSM。
2.5纹理映射技术
纹理映射是在构建完三维模型后，进行的表面纹理赋予工序。其本质是建立二维空间点到三维物体表面之间的一一对应的关系，在三维物体表面映射二维空间点对应的颜色，得到符合真实色彩视觉的三维模型。映射的方式分为三种：正向映射、逆向映射和两步纹理映射法。其中，正向映射代表从纹理空间向屏幕空间的映射。它对空间很节省，但是容易存在空洞和图像扭曲的特点。与之对应的逆向映射弥补了正向映射的缺点，但是占用的存储空间要比正向映射空间大很多。而两步纹理映射法是针对无参数化曲面纹理映射问题提出的，主要涉及纹理映射的图片、纹理映射的坐标与纹理图片三者之间的关系。
3. 三维实景模型在输电线路设计中的应用
3.1测区三维场景制作
大场景制作是北京正能公司基于DEM、DOM来实现整体的立体显示, 大场景更适合于整体把控线路走向或整体掌握变电站位置布设，在宏观确定的基础上，通过单模型像对进行微观上的调整，二者通过互补，可以达到较好的效果。当然在需要进行数字化测图时，需要在单模型像对下进行测图，大场景的测图成果是DEM成果不够可靠,大场景的制作是基于Ecan PLStation架空输电线路选线设计与平断面成图系统来完成。
3.2输电线路三维数字化选线
三维立体选线目前主要是有两种方式：一是传统的基于立体像对模式下进行立体选线，该模式的优点是对于每个独立像对里的线路选择比较清晰，塔位的切点也比较精准，同时可以对像对里线路路径的DEM做人工采集，提高DEM精度。二是基于拼接好的DOM和DEM成果，在三维设计平台上进行选线，该模式的优点是因为宏观性好，比较方便从整体上设计线路路径。缺点在于在三维立体方面更多的是从定性和弱定量角度去选线，由于立体基础是基于DEM成果。
3.3三维选线成果漫游演示
利用倾斜摄影数据生成数字正射影像图和数字高程模型在Ecan PLStation进行配准、叠加，最终创建线路全线大场景三维实景立体模型。在大场景三维实景立体模型中可以自动选择杆塔模型,同时可自定义飞行路径并进行三维漫游，从而对线路走廊的合理性和可行性进行综合评价。沿固定高度漫游是通过视点，即观察者的眼坐标的坐标在浏览过程中保持不变，始终为用户漫游之前所设置的高度值，这样可以保持恒定的高度对三维场景进行浏览，可在高空总体上查看三维场景。
4.结语
基于倾斜摄影测量技术的实景三维模型为了电力工程三维数字化设计提供一个全新的途径，更好的为电力三维数字化设计服务，提高电力设计质量。