无人机倾斜摄影测量在古建筑三维建模中的精度优化与实践

引言:随着数字化技术的发展，古建筑保护与研究对三维建模技术的需求不断上升。古建筑结构复杂、年代久远，传统测量方法难以全面、精确记录信息。无人机倾斜摄影测量技术可从多角度拍摄，快速获取大量高分辨率影像，为三维建模提供数据基础。在古建筑保护中，三维模型可为修复维护提供参考；在文化传承方面，有助于公众直观了解古建筑魅力；在考古研究中，便于分析结构特征与历史变迁。然而，该技术仍存在难点：一是精度受气流和定位误差影响，如狭窄街道上方飞行时影像易晃动，影响建模精度；二是数据量庞大，处理难度高，一个中等规模古建筑群的数据可达数百GB，需高性能设备与复杂算法支持；

一、技术原理与测量流程

1.1 多镜头倾斜摄影机理

多镜头倾斜摄影是一种先进的摄影测量技术，通常采用五个镜头的配置，其中一个垂直向下拍摄，其余以倾斜角度向不同方向拍摄。垂直镜头获取的影像用于构建正射影像图，需按照规划航线飞行，并保证航向重叠度 60%-80% ，旁向重叠度 30‰ 。倾斜镜头则为三维建模提供侧面信息，能清晰捕捉古建筑如四合院的山墙、屋檐等细节，倾斜角度一般在30° - 60^∘ 之间。多镜头系统通过同步获取垂直与倾斜影像，使数据更加全面，为三维建模提供充足素材。影像分辨率是关键参数，通常要求1 - 5 厘米，以确保精细还原雕梁画栋等复杂结构的形状与纹理[1]。

1.2 三维建模流程分析

三维建模流程基于多镜头倾斜摄影数据展开，首先进行数据预处理，检查并剔除因天气、设备故障等原因导致的模糊影像。随后进入影像匹配阶段，通过算法提取不同影像间的同名点，如古建筑的房角、门窗角点等，建立像对间的相对关系，确定地物空间位置。接着利用摄影测量算法计算各像素点的三维坐标，构建点云模型，用于精确表达建筑外形轮廓，并根据影像分辨率控制点云密度，以平衡精度与计算成本。在点云基础上构建三角网，将点连接为三角形面片，避免狭长三角形影响模型平滑度，尤其针对屋顶脊线、飞檐等复杂结构。最后进行纹理映射，将影像纹理贴合至三维模型表面，还原墙面、门窗等部位的颜色与图案，提升模型的真实感。

二、精度优化关键策略

2.1 误差来源分类解析

在无人机倾斜摄影测量用于古建筑三维建模过程中，误差来源主要包括设备、飞行和数据处理三个方面。设备方面，低成本无人机的GPS 定位精度可能仅达米级，导致拍摄位置信息偏差；镜头畸变尤其在广角边缘易引发图像变形，影响模型精度。飞行过程中，风力、气流等因素可能导致姿态不稳定，风速5-6 级时姿态角偏差可达2-3 度，造成图像倾斜、重叠度不一致；飞行高度过高或过低也会分别影响分辨率与覆盖范围。数据处理中，图像匹配算法因纹理相似可能出现误匹配；控制点选取不当或数量不足，亦会降低模型精度[2]。

2.2 参数优化实现路径

为优化精度需针对误差来源采取参数优化措施。设备方面，应选用高精度GPS 无人机及先进镜头校准技术，并避免使用镜头边缘成像，合理调整拍摄角度以减少畸变影响。飞行参数上，根据环境调整飞行高度与方向，控制风力影响；将飞行速度稳定在5-10 米/秒，姿态角偏差控制在1 度以内；小型古建筑群飞行高度建议50-80 米。数据处理环节，改进图像匹配算法，采用多特征融合提升准确性；控制点选取应位于稳定结构部位，数量充足（中等规模三维建模不少于 20 个），并用高精度仪器测量，误差控制在毫米级。通过上述路径，可显著提高无人机倾斜摄影测量在古建筑三维建模中的精度。

三、实验设计与效果验证

3.1 精度评价指标体系

在无人机倾斜摄影测量用于古建筑三维建模的精度评估中，构建科学合理的精度评价指标体系至关重要。常用指标包括平面精度和高程精度。平面精度通常采用均方根误差（RMSE）进行衡量，通过对比模型特征点坐标与全站仪实测坐标计算得出，值越小表示精度越高，理想控制在厘米级以内。高程精度则关注最大误差和平均误差，例如某古寺庙模型中最大误差为 5 厘米（出现在屋顶边缘），平均误差为 2 厘米，反映遮挡或飞行不稳定的影响。相对精度同样重要，体现于古建筑不同结构间的比例关系，如门窗间距的模型测量与实际比例的一致性，若不达标将影响结构还原的准确性[3]。

3.2 优化模型对比测试

为验证精度优化策略的有效性，需建立多个不同优化程度的模型进行对比测试。以某古建筑遗址实验为例，基础模型未进行特殊精度优化，其平面 RMSE 为 10 厘米，高程最大误差 8 厘米；优化模型 A 通过调整飞行高度、航向及旁向重叠度等飞行参数，使平面RMSE 降至5 厘米，高程最大误差降至4 厘米；优化模型B 在模型A 基础上改进影像匹配算法，进一步将平面RMSE 降至3 厘米，高程最大误差降至2 厘米。实验结果表明，飞行参数优化可显著提升模型精度，结合影像匹配算法改进则能实现更高精度。在实际应用中，根据具体需求选择合适的优化策略或综合运用多种策略，提升无人机倾斜摄影测量在古建筑三维建模中的模型精度。

四、结语

在古建筑三维建模中，无人机倾斜摄影测量技术的精度优化具有重要意义。从文化遗产保护角度看，高精度三维模型可完整记录如故宫等结构复杂、细节丰富的古建筑，实现数字化存档，防范自然灾害和人为破坏带来的信息损失。从建筑研究角度出发，以应县木塔为例，精确模型有助于建筑学家分析构件尺寸、连接方式及设计理念。在旅游与文化传播方面，如苏州园林，三维模型可提供虚拟游览体验，提升游览效率与趣味性，传播传统园林文化魅力。未来发展方向包括硬件设备改进与算法优化。随着传感器技术发展，相机分辨率持续提升，结合更清晰影像提高模型精度；无人机飞行稳定性增强也将减少拍摄晃动影响。算法层面，针对曲面结构和精细雕刻需开发更智能建模方法，同时引入人工智能技术，如深度学习，提升影像自动分类和特征提取能力。融合无人机倾斜摄影与激光扫描等多源数据，将助力构建更全面精准的古建筑三维模型。

参考文献

[1]桑文刚,赵培华,刘庆新,等.空地联合布控无人机倾斜摄影建模精度优化[J].山东建筑大学学报, 2020, 35(5):6.

[2]李旭民,晏晓红,孙可心,等.无人机倾斜摄影测量在城市复杂地形三维建模中的应用[J].测绘与空间地理信息, 2023, 46(12):41-44.

[3]崔诏,莫玉兵,杨枫.无人机倾斜摄影测量技术在古建筑保护中的应用[J].测绘与空间地理信息, 2023, 46(S01):292-294.