無人機航拍技術在三維建模上的應用

黎富忠

（廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023）

無人機航拍技術在三維建模上的應用

黎富忠

（廣西水利電力勘測設計研究院，南寧 530023）

以馱英水庫三維地形模型的制作為例，介紹了無人機低空航拍在地形圖測繪和三維模型制作中的應用技術。根據(jù)地形圖的地物、特征線的坐標和高程制作TIN模型的基礎上，疊加無人機拍攝航片制作地面立體三維模型，既能滿足工程設計要求，又能展示三維可視化立體效果。

無人飛機；航拍；三維模型；馱英水庫

1 概述

三維設計經(jīng)過多年來的發(fā)展，已在各行業(yè)中廣泛使用，其中MicroStation三維軟件是國際領先的二維和三維CAD一體的設計軟件。在工程設計越來越激烈的市場競爭中，隨著人們對視覺要求的不斷提高，對產(chǎn)品的質量也提出了更高的要求，不僅需要滿足工程設計需求，提高設計的效率，同時又需要增加三維展示地面地物的貼圖渲染，以達到工程設計和產(chǎn)品展示的三維視覺雙重效果，以提高市場競爭力。近年來，隨著測繪科技的發(fā)展，遙控無人飛機低空航空攝影測繪技術的日趨成熟，在測繪中具有非常重要的作用，無人飛機航測通常低空飛行，受氣候條件影響較小，系統(tǒng)攜帶的數(shù)字彩色航攝相機等設備可快速獲取地表信息，獲取超高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)，拍攝影像清晰、分辨率高、現(xiàn)勢性好[1]，用于地形圖測繪和制作三維模型效果良好。

2 應用案例

2.1 工程概況

馱英水庫位于左江一級支流明江上的二級支流公安河上，為廣西左江治旱工程馱英灌區(qū)重要的新建水源工程，地處寧明縣那堪鄉(xiāng)垌中村蒲城屯，距離寧明縣城115km，庫區(qū)上游有兩大支流，分別為馱英河和評批江，兩河匯合于上壩址上游約2km處。水庫形狀呈“Y”字形，兩岸山勢陡峭，河流狹窄，屬峽谷型水庫，水庫工程由攔河壩、溢洪道、灌溉與發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房及開關站等建筑物和庫區(qū)組成。根據(jù)需要我們針對該工程壩址區(qū)域進行三維模型制作。

三維數(shù)字地形圖模型將以往采用的二維地形圖提升到了三維空間的高度，打破了空間的限制，從更高的角度去表達和分析現(xiàn)實世界，表達了各實物之間的空間架構，而且三維數(shù)字地形圖所顯示的點和線都是三維的，因此用戶能夠很明確的查看兩點之間的折線長度；也能夠在地圖上查詢某地的平面和三維坐標；在模型上任一方向的縱向橫向斷面圖也可以很清晰的剖切出來；另外，兩個地點之間的水平、空間方位角，水平、縱向距離、坡度等數(shù)據(jù)的計算統(tǒng)計和查詢分析都會變得非常方便[2]。

2.2 三維模型制作

2.2.1 方案的比較

根據(jù)地形圖建立DTM地面數(shù)字高程模型，采用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN約束生成地形，由于TIN模型具有精度高、速度快、效率高、容易處理斷裂線和地物特征等特點，所以我們采用TIN制作三維模型，在此模型上進行三維建模貼圖渲染，對貼圖渲染我們提出了3個方案：①采用相機實地拍細部照片；②采用Google地圖影像、高空衛(wèi)片；③采用無人飛機低空拍攝。

我們對上述3個方案進行小面積試驗發(fā)現(xiàn)：

（1）方案1，到現(xiàn)場實拍困難，山高路陡，很不方便，外業(yè)工作強度高，而且相片糾正工作量大、難。

表1 各個方案優(yōu)缺點對照表

（2）方案2的航片、衛(wèi)片比較舊，地面很多地物都未見標注，而且由于航線高，拍攝的航片清晰度不太理想，現(xiàn)勢性也較差，制作的三維模型效果較差。

（3）方案3無人飛機拍攝的航片，不僅現(xiàn)勢性好，地面新建地物都能如實反映，而且是低空飛行航拍，清晰度高，根據(jù)像控點和主要地物糾正后坐標吻合，而且大幅減少外業(yè)作業(yè)時間和工作強度、減少外業(yè)數(shù)據(jù)采集的人力物力投入，提高了工作效率，為項目工期進度提供了保障。

經(jīng)過最后分析討論，綜合上述優(yōu)缺點考慮，方案3試驗效果最好，最終采用方案3。

2.2.2 方案實施

（1）高程點、等高線等屬性值錯誤檢查處理。通過MicroStation三維軟件形成前視圖、側視圖、環(huán)視圖旋轉等，找出高程屬性有問題的地方，然后使用“特性”工具欄修改其屬性值，解決了二維CAD繪圖中難以發(fā)現(xiàn)等高線賦值錯誤、高程點Z值與注記不一致的問題；再使用《二維地物線三維化》成果把二維線批量轉換為三維多段線，對陡坎、懸崖、道路、水系、居民地等地物和特征線分別進行處理，達到MicroStation軟件格式需求。

圖1 三維視圖

（2）TIN模型制作。措施：根據(jù)地形圖點高程、等高線和特征線使用GEOPAK模塊生成DAT文件與TIN文件，然后對TIN文件進行編輯修改，把處理好TIN文件渲染形成無材質貼圖的三維地面模型，以顏色區(qū)分（如圖2），山溝、道路、河流等分色顯示。

圖2 無材質渲染圖

（3）對航片影像進行糾正拼接，建立TIN三維地面模型并疊加合成航片后的三維效果。采用Descartes模塊中的功能根據(jù)像控點和主要地物進行多點坐標糾正和拼接合成，再打開TIN文件，選擇合成的影像作為材質文件，然后貼圖渲染出模型，能顯示出地面高程起伏地形變化，同時也能展示身臨其境的視覺效果（見圖3）。

圖3 疊加效果圖

在該三維模型中，可在任意位置畫斷面線（見圖4），即刻繪出斷面圖，方便斷面數(shù)據(jù)的獲取和修改，可作為其它專業(yè)三維設計的基礎。

從圖5可看出，傳統(tǒng)二維設計斷面線（黑色）和三維模型設計斷面線（紅色）對比，兩線重疊，從表2斷面數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)誤差很小，確認效果滿足工程設計精度要求。

圖4 任意位置切斷面圖

圖5 二維設計與三維設計斷面圖對比圖

3 結語

利用當前先進的測繪技術，能更高效率地完成大面積庫區(qū)測繪、渠道前期選線等測繪任務，明顯降低生產(chǎn)成本和外業(yè)強度，縮短成圖周期，同時，低空航拍的影像清晰、分辨率高、現(xiàn)勢性強，用于制作三維模型時更加形象逼真。設計人員通過模型的仿真分析，為工程設計方案的可行性與可靠性評價提供幫助。無人機測繪是遙感領域用于地形測繪的新興技術，使用成本低、反應速度快、易于移動轉場，對復雜的野外測繪環(huán)境有很好的適應力，不僅可以完成傳統(tǒng)飛機的航攝任務，而且可以進入傳統(tǒng)手段無法覆蓋到的領域[1]。它機身小巧、結構簡單，由人工遙控器送飛，地面工作站操控自主飛行拍攝，可靈活應對整個航攝工作。

表2 二維設計與三維設計斷面數(shù)據(jù)對比

[1] 胡曉曦，李永樹.無人機低空數(shù)碼航測與高分辨衛(wèi)星遙感測圖精度試驗分析[J].測繪工程，2010，19（4）：68-70

[2] 倪冬蘭，左文平.基于地形圖的三維地形圖的研究[J].城市勘測.2011，8（4）：13-16

（責任編輯：劉征湛）

Application of UAV aerial photography in 3D modeling

LI Fu-zhong
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023,China）

Taking the topographical 3D modeling for Tuoying Reservoir Project as example,an introduction was made on the application of low-altitude UAV aerial photography in topographical map survey and 3D modeling.TIN model is set up according to the coordinates and elevations of surface features and characteristic lines,then the aerial photography taken with UAV is superimposed to make a ground 3D model,which not only meets the requirements of engineering design,but also visualizes the 3D effects.

Unmanned aerial vehicle（UAV）;aerial photography;3D model;Tuoying Reservoir

P236

B

1003-1510（2016）04-0021-03

2016-04-12

黎富忠（1982-），男，廣西橫縣人，廣西水利電力勘測設計研究院工程師，學士，主要從事水利電力勘測設計工作。