无人机倾斜摄影测量技术在三维城市建模中的应用

摘要：随着城市数字化转型的持续深入，三维城市模型作为承载城市要素信息的关键空间载体，其覆盖广度、更新效率与还原精度直接影响各类城市数字化应用的落地成效。传统三维建模方法在复杂城市场景中面临效率低、更新难、还原度不足等局限，难以满足高频、高精度的建模需求。无人机倾斜摄影测量技术作为一种新型空间信息采集手段，为高保真三维城市建模提供了可行路径。本文系统梳理该技术的核心原理、标准作业流程、技术优势及典型应用场景，并结合上海市五大新城重点区域立体国土空间基底建设实际项目，验证该技术在大型城市三维建模中的工程化应用效果。研究成果可为实景三维城市建设、城市精细化管理及相关技术推广提供理论与实践参考。

关键词：无人机倾斜摄影测量；三维城市建模；实景三维

2025年2月自然资源部印发通知推进实景三维中国建设。该通知明确提出实景三维是国家重要新型基础设施，其作为数字中国、数字政府、数字经济的核心空间定位框架。按照规划到2025年我国超50%政府决策生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成，5厘米分辨率的城市级实景三维将初步实现对地级以上城市进行覆盖。截至2025年8月全国已有300余个地级以上城市完成城市级实景三维数据覆盖。当前，实景三维建设已进入规模化落地的关键阶段。

1 无人机倾斜摄影测量技术的基础理论与作业流程

1.1 技术核心原理

无人机倾斜摄影测量技术的核心逻辑是突破传统正射影像的局限。传统正射影像仅能获取地物顶部信息，它通过在同一飞行平台搭载多台不同视角采集设备，在飞行过程中同时从五个角度采集地物影像。在获取地物顶部几何信息的同时，同步采集建筑立面及遮挡区域等传统正射摄影无法覆盖的纹理与空间信息。采集过程中系统会同步记录每一张影像的空间位置和姿态参数等信息。后续，通过多视影像联合平差技术可将不同视角影像信息进行匹配融合，解算得到地物的精确三维坐标。再经过点云构建和纹理自动映射等环节生成兼具几何精度与真实纹理的三维城市模型，完整还原城市空间真实样貌，为后续各类城市应用提供精准空间支撑。

1.2 标准化作业流程

无人机倾斜摄影测量的标准化作业流程包含前期准备、外业采集、内业处理、成果质检这四个核心环节。前期准备阶段要结合建模区域地物复杂度和建模精度要求来完成飞行平台与采集设备的选型，同时根据区域范围和周边空域条件完成航线规划，合理设置飞行参数与像控点布设方案，为后续采集作业做好铺垫。外业采集阶段需严格按照预设航线开展飞行作业，同步完成影像质量的现场核验，对存在模糊、漏拍的区域第一时间进行补飞，保障原始影像数据的完整性。内业处理阶段依托专业处理软件完成影像的空三解算、点云滤波、模型构建与优化，自动完成纹理的映射与拼接，最后通过多维度的质检流程对模型的精度、完整性、纹理质量进行核验，确认符合要求后形成最终建模成果。

2 无人机倾斜摄影测量在三维城市建模中的核心优势

2.1 效率与成本优势

无人机倾斜摄影测量在作业效率和投入成本方面优势显著，完全打破了传统建模模式的效率限制，和传统人工建模相比，传统人工建模得有大量作业人员到现场进行测绘、拍照，之后还得依靠专业建模人员逐个完成模型构建和纹理贴附，流程冗长。而无人机倾斜摄影测量的外业采集只需少量操作人员完成飞行作业就能覆盖大范围区域，内业处理环节基本实现自动化，不用大量人工参与模型构建过程，大幅缩短了整体作业周期，还减少了人力成本投入^[1]。并且，这项技术作业灵活性强，不会受到地形条件和区域范围的过多约束，不管是小尺度的街区建模还是大尺度的城市全域建模，都能迅速完成数据采集和模型生成，可适应不同规模建模项目的效率要求，有效降低三维城市建模的整体投入门槛。

2.2 精度与还原度优势

无人机倾斜摄影测量所生成的三维城市模型在几何精度和场景还原度方面优势突出，能够真实还原城市空间全要素信息。在传统建模模式中，人工测绘精度易受作业人员经验和现场测量条件影响，纹理贴附多依赖通用素材或现场拍摄的零散照片，易出现纹理失真和细节遗漏等问题，难以完整还原建筑立面细节特征与城市场景真实风貌。而无人机倾斜摄影测量的几何信息和纹理信息都源于实地采集的高分辨率影像，通过多视影像联合平差解算得到的空间坐标精度稳定，能1:1还原地物真实纹理，涵盖建筑立面材质、标识、装饰细节以及市政设施、植被、道路等城市要素真实样貌，生成的三维模型真实感极强，可支撑城市空间精细化分析与应用（见下表1）。

表1 倾斜摄影三维建模常见误差类型及官方允许阈值表

2.3 场景适配优势

无人机倾斜摄影测量在场景适配方面适配能力突出，能够满足各类三维城市建模场景的差异化需求，传统建模技术对作业场景要求较高，如地形复杂的山地城市、建筑密度极高的老旧城区、交通流量大的核心商圈等场景，外业测绘难度极大，建模效率与质量都会受到严重影响，而无人机低空飞行的作业模式不受地面交通和地形条件的限制，能灵活穿梭于各类复杂城市场景完成数据采集，既可以完成超大城市全域范围的三维底座快速构建，也能针对单个历史建筑、小型街区完成精细化建模，还能在地震、火灾等灾害发生后快速进入受灾区域完成数据采集，适配城市建设、管理、应急等不同领域的建模需求，是当前适配性最强的三维城市建模技术路径之一^[2]。

3 三维城市建模中的典型应用场景

3.1 智慧城市CIM平台基础底座构建

无人机倾斜摄影测量生成高保真三维城市模型是智慧城市CIM平台核心基础底座，所有数据要挂载到统一三维空间框架下才能实现融合应用，无人机倾斜摄影测量生成的三维模型兼具几何精度与真实纹理可完整映射城市物理空间，各类政务数据、物联网数据、业务数据可精准挂载到对应空间位置上，支撑城市运行监测、智慧交通调度、公共服务资源配置等各类应用场景，让城市管理者能直观精准掌握城市运行状态提升城市治理精细化水平^[3]。

3.2 城市规划与城市更新领域应用

无人机倾斜摄影测量技术在城市规划和城市更新领域应用价值突出，能为规划决策与更新实施提供全流程的有力支撑。在规划设计阶段，高保真的三维城市模型可帮助规划人员直观掌握项目区域现状条件，无需大量现场踏勘就能完成现状分析，还能将规划方案直接叠加到真实三维场景中进行推演，直观评估方案与周边风貌的协调性，提升规划决策的科学性。在城市更新实施阶段，三维模型能够支撑更新区域的现状摸排、拆迁范围划定、施工进度动态监测等工作，帮助实施方实时掌握项目的推进情况，及时调整施工方案以保障城市更新项目顺利推进^[4]。

3.3 历史文化街区与文物建筑保护应用

无人机倾斜摄影测量给历史文化街区和文物建筑保护工作带来全新技术手段，能实现文化遗产数字化留存与全生命周期监测，传统文保建档大多依靠人工测绘与拍照方式，难以完整记录文物建筑和历史街区所有细节信息，也难以达成长期的动态监测目标。借助无人机倾斜摄影测量可快速生成高精度历史街区与文物建筑三维模型，完整留存建筑结构特征、立面纹理和装饰细节等信息，形成不可复制的数字档案，为后续文物修复研究提供精准基础资料^[5]。

3.4 城市应急管理领域应用

无人机倾斜摄影测量技术在城市应急管理领域具有不可替代的应用价值，能为灾害处置与应急救援提供关键空间信息支撑，当地震、火灾、地质灾害等突发公共事件发生时，地面交通往往会受到严重影响^[6]。传统现场勘测方式难以第一时间进入受灾区域获取信息，而无人机可快速突破交通与地形限制，能在短时间内生成受灾区域的三维模型，直观展示受灾范围、道路通行等信息，帮助应急指挥人员精准掌握灾情，科学制定救援路线与应急处置方案，从而提升应急处置的效率与科学性，在灾后重建阶段三维模型也可支撑灾情评估等工作。

4 工程案例：上海某区域高精度立体空间基底建设

4.1技术路线

项目采用“空地一体、多源融合”的技术路线：以无人机倾斜摄影为主，获取大范围高分辨率影像并生成倾斜Mesh模型；以车载激光扫描、背包式激光扫描、架站式激光扫描为补充，解决树木遮挡、建筑底部、狭窄街巷等倾斜摄影盲区；以野外数字测图进行精细化补测和属性调查。多种数据源经坐标转换、融合处理后，统一制作全要素地形数据与实景模型。

图4.1.1技术流程

图4.1.2全息测绘三维模型生产流程图

4.2 关键技术与精度指标

（1）倾斜摄影采集：采用大疆Matrice350 RTK无人机搭载赛尔PSDK 102S五镜头倾斜相机，垂直影像地面分辨率优于0.03米，航向重叠度80%、旁向重叠度70%。测区内布设像控点约534个、检查点约58个，空三解算后检查点平面、高程残差均控制在2个像素以内。

（2）多源点云融合：配置华测AS900HL、Pegasus Two车载激光扫描仪，徕卡Pegasus Backpack、欧思徕R8-300背包式扫描仪，徕卡P50架站式扫描仪及BLK2GO手持式扫描仪。相邻测站间公共部分要求不低于30%，点云拼接残差中误差优于±5毫米。

（3）精度指标：道路区域地形数据平面绝对精度≤0.10m（二级）、高程绝对精度≤0.05m（一级）；全要素实景模型平面绝对精度（建（构）筑物主体结构）≤0.15m，高程绝对精度（交通道路及两侧坚实地面）≤0.20m。倾斜模型实际达到的平面与高程精度均优于0.09米，远优于国标要求。

图4.2.1 点云数据解算界面

图4.2.2建模进度显示

图4.2.3建模成果展示

4.3 项目成果对论文观点的集中佐证

该工程案例从多个维度验证了本文前述技术观点：

（1）效率与成本：项目采用倾斜摄影为主、多源融合的技术路线，外业采集仅需少量操作人员即可完成14.5平方公里的全覆盖飞行，内业依托软件实现自动化空三与建模，整体作业周期较传统人工建模缩短约60%，有力支撑了2.1节的观点。

（2）精度与还原度：项目实测精度数据（倾斜模型平面、高程均优于0.09米）与表1中“实际应用中倾斜摄影技术平均误差值”高度吻合，验证了2.2节的精度结论。建筑模型要求沿街第一排建筑纹理实地拍摄、门窗楼层与实际相符、转角纹理对齐缝线，体现了高还原度的工程实现。

（3）场景适配：项目针对高密度城市建成区的复杂环境，综合运用倾斜摄影、车载扫描、背包扫描、架站扫描、手持扫描等多种手段，实现了“空地一体”无死角覆盖，充分印证了2.3节所述的场景适配优势。

（4）应用价值：项目成果直接服务于新城土地综合整治、三维规划审批、城市数字化转型等政府核心业务，并预留了向应急管理、文化遗产保护等领域推广的技术接口，与第3章各应用场景形成完整对应。

结论

无人机倾斜摄影测量技术是当前三维城市建模领域核心技术路径，其技术优势经过大量实践场景验证，能有效适配城市数字化转型对三维空间数据的各类需求，可为智慧城市建设、城市更新、文化遗产保护、应急管理等多领域提供重要技术支撑。伴随技术不断迭代优化以及行业标准体系逐步完善，无人机倾斜摄影测量应用场景会进一步拓展，建模质量与效率也将持续提升，能为实景三维中国、数字孪生城市建设提供坚实技术保障，助力城市治理体系与治理能力实现现代化升级。

参考文献

[1]李亚朋. 无人机倾斜摄影测量技术在校园实景三维建模中的应用探讨[J].科技与创新,2025,(21):203-205+209.

[2]肖梅萍. 无人机倾斜摄影测量技术在城市实景三维模型重建中的应用[J].测绘与空间地理信息,2025,48(10):126-128.

[3]郑清. 无人机倾斜摄影测绘技术在城市三维建模中的应用[J].智能建筑与智慧城市,2025,(08):21-23.

[4]胡群珍,胡燕琴. 无人机倾斜摄影测绘技术在城市实景三维建模中的应用研究[J].智能建筑与智慧城市,2024,(12):31-33.

[5]张丽丽,崔国梁,孙苗苗,等. 无人机仿地倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用研究[J].科技创新与生产力,2024,45(11):139-141.

[6]苏俊波. 无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模及优化方法中的应用[J].工程建设与设计,2024,(18):86-88.