利用无人机遥感技术进行实现三维地形建模

1 引言

地理信息系统(GIS)技术随着时代的发展被赋予了不同的时代内涵，随着时代的变迁无时无刻不在发生着深刻的变革，伴随着“数字地球”建设和虚拟现实(Virtual Reality)技术从无到有的快速蓬勃发展，地理信息系统技术从传统的描绘二维世界，已远远不能满足当今社会发展的需求，三维(3D)地理信 息系统技术应运而生，这种新的三维建模系统具备更加强大的空间信息处理和分析能力，使得地理信息表现形式更加丰富多彩，并且直观逼真。在无人机 被应用于三维建模之前，通常是利用卫星或者载人航空技术提供的遥感资料进行三维建模，利用这两种方法建立的三维地形模型有很多局限性，比如成本昂贵、实时性较差等。而无人机技术的日新月异以及无人机市场的逐渐成熟让无人机的应用越来越广泛，无人机从最初的种类和用途单一到现如今的种类繁多以及功能多样，这给无人机进行三维地形建模带来了无限生机。利用无人机遥感所提供的影 数据进行三维地形建模，在试验中收获了良好的效果，虚拟现实更加清晰、栩栩如生。本文从三维地形建模系统和无人机在单体建筑建模中的应用进行探讨。

2 三维地形建模系统

在地理信息的实际应用过程中，三维地形建模所提供的可视化专题地图，反映的地理信息状况更加完善、科学、有效，打破传统二维工作模式的束缚， 能够极大提高工作效率。三维地形建模系统通常由五个步骤组成，第一步是利用卫星或者载人航空或者无人机提供的遥感影像获取最原始的数据资料， 一般这些数据都需要进行预处理，因为无人机遥感本身或者飞行时的姿态会导致影像外部几何变形， 因此需要对原始影像数据进行变形纠正，几何变形纠正一般是通过参照大比例尺的地形图数据，有一些是通过参照实地测量控制点坐标，这一步完了之后利用相关的图像处理软件，对所获取的影像进行光谱补偿和镶嵌拼接;第二步是把影像数据分割成不同的子区域，用来表示目标对象的各个表面，这种影像数据分割可以基于好几种不同的算法，比如基于边界检测和基于表面提取的算法等;第三步的目的是为了获取目标完整的三维信息，这就需要从不同的角度或者视点进行观测，获取相应的距离图像， 最后再将这些距离图像进行深度融合，建立目标对象的立体三维模型，即距离图像的配准;第四步和第五步是进行几何建模和纹理建模。一般是运用 2D 光学图像和 3D 距离图像获取周围目标对象的三维地理采样信息，进而重构目标三维立体模型。在这五个步骤当中，距离图像分割和配准是最关键的两步， 直接影响最终建立的三维模型质量，由于距离图像分割和配准基于的一些算法精度不是很理想，导致三维建模仍然有很大的提升空间。

3 无人机在单体建筑建模中的应用

随着无人机技术的快速发展，无人机越来越多地被应用于无人机遥感领域，从而进行三维建模。由于无人机一般都是进行低空飞行，因此无人机遥感技术主要是应用于获取一些近地表目标物的信息， 比如单体建筑物。无人机遥感技术作为一种新兴遥感技术，具有较强的时效性，成本低廉以及安全的优势，发展潜力较大，世界各国投入了大量的人力物力财力在无人机遥感的开发与应用上面。下面就简单探讨一下无人机在单体建筑建模中的应用。

利用无人机对单体建筑物进行三维建模过程中，由于无人机的航线一般是在二维尺度上，为了能够对三维立体建筑物进行全覆盖，无人机的航线在规划时就需要从二维扩展到三维尺度上。目前测绘行业应用最广的三维建模方法为航空倾斜摄影测量，但由于摄影角度并非可以随时进行调节，相对来说比较固定，因此存在一定程度的盲区，这就直接导致了获得的单体建筑物三维信息存在缺失。业内利用无人机遥感获取的三维信息主要有两种，这两种方法分别为近景摄影测量和航空摄影测量，无论哪一种，各有利弊。近景摄影测量由于距离较近，因此获取的建筑物三维信息精度比较高，缺点在于花费的时间成本较高以及无法获取建筑物顶面的三维信息。航空摄影测量获得的建筑物三维信息所需的时间较短，不足之处是经济成本较高并且不能完整地收集建筑物侧面信息。如果能够将这两种方法综合使用，取长补短，并且合理设计无人机三维航线，则可以大大提高三维建模的质量与效率。

利用无人机遥感对单体建筑进行三维建模一般由四个环节组成，首先启动程序环节，输入建筑物高度、相机参数等初始数据;然后程序自动规划出三维航线;之后无人机飞行进入工作状态，对单体建筑物进行拍照以获取相应的图像资料;最后对获取的一手影像资料进行处理并建模。比较关键的一个环节在于三维航线的规划，因为在实际应用过程中，三维建模的对象很多并非是简单规则的单体建筑物，这给全面获取其信息造成了很大的困难，这就要求无人机从不同角度进行观测并拍照，如果无人机飞行过程中只携带了一个相机的话，航线规划要考虑到三个方面，分别是侧面与顶面、面与面衔接处、底边优化的航线规划。经试验论证这种方案可行性很高， 能够较全面完整地获取单体建筑的三维信息，并为三维建模提供精确可靠的一手遥感影像资料。

4 结束语

本文主要简述了三维地形建模系统的五个工作步骤，分别为数据获取、图像分割、图像配准、几何建模以及纹理建模。这五个工作步骤环环相扣，相辅相成，其中最为关键的两步是距离图像的分割和距离图像的配准，这直接影响着最终建立的三维地形模型的质量，在实际工作当中，我们都需要高度重视。随着地理信息科学及相关产业的发展，遥感影像数据对于世界各国的重要性不言而喻，另外由于无人机遥感在单体建筑建模中拥有着得天独厚的优势， 特别是针对世界上一些不发达国家，无力支撑起资金以及技术投入巨大的航空航天领域，但无人机遥感平台的出现为这种尴尬的局面提供了一种全新的思路，因其成本较低，精度较高、操作简单、对工作环境要求不是很苛刻、灵活机动等优势，合理规划无人机的三维航线，就能够提供完整的建筑物三维地理信息，十分有利于单体建筑的精细化建模，未来针对单体建筑三维建模中潜力很大。

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