基于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的小范圍三維實(shí)景建模探討

黃有槽

摘要：目前，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)基本已經(jīng)普及，除普通拍攝之外，還可以利用其影像采集功能，結(jié)合專(zhuān)業(yè)軟件建立三維實(shí)景模型。本文探討了使用的關(guān)鍵技術(shù)和合適參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際案例的驗(yàn)證，為以后類(lèi)似的工程項(xiàng)目提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)；傾斜攝影測(cè)量；三維實(shí)景模型

1 概述

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域于2012年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共5個(gè)不同的角度采集影像，將用戶(hù)引入了符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界[1]。傾斜影像技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，使目前高昂的三維建模成本大大降低。縮短了三維數(shù)據(jù)的制作周期，大幅提供了工作效率。

目前世界上支持多視角影像三維實(shí)景建模的軟件有許多，諸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等軟件，其高度自動(dòng)化和智能化給建模帶來(lái)極高的效率。在硬件方面也得到了國(guó)內(nèi)外許多傾斜無(wú)人機(jī)的支撐，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。軟件和硬件的支持給三維實(shí)景建模帶來(lái)改革性的變化，推動(dòng)著三維實(shí)景建模飛速發(fā)展。

一般專(zhuān)業(yè)的搭載五鏡頭的量測(cè)無(wú)人機(jī)適用于大范圍的三維實(shí)景建模，但遇到小面積的或者是局部的地物要建模的情況，使用專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)不但體現(xiàn)不了高效率，成本反而高。因此本文提出一種利用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，如大疆精靈Pro，利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行三維重建的方案，可以靈活、高效、低成本的完成小范圍地物的三維重建。

2 關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)設(shè)置

傳統(tǒng)的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)只能搭載一顆鏡頭進(jìn)行正射影像，從垂直角度拍攝。而專(zhuān)業(yè)的傾斜攝影無(wú)人機(jī)搭載多臺(tái)傳感器，可以同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)不同的角度采集影像。這就要求使用者對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的飛行路線(xiàn)和傾斜角度進(jìn)行合理設(shè)置，通過(guò)多次多角度飛行，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，對(duì)飛手的操控技術(shù)和采集技術(shù)要求比較高。

2.1無(wú)人機(jī)拍攝時(shí)應(yīng)該遵循以下原則：

①無(wú)人機(jī)的圖像格式有JPEG、TIF、RW2、3FR、DNG、NEF、CRW、CR2。

②在整個(gè)飛行過(guò)程中使用相同的焦距，要有恒定的照明，有限的陰影數(shù)據(jù)。

③避免模糊照片、閃光燈和光學(xué)防抖。

④不能使用數(shù)碼變焦和照片手動(dòng)潤(rùn)色。

對(duì)于簡(jiǎn)單對(duì)象的采集，有如下關(guān)注事項(xiàng)：

①不要反轉(zhuǎn)或移動(dòng)對(duì)象。

②縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。

③兩張連續(xù)照片之間的拍攝夾角不超過(guò)15度。

④與對(duì)象保持相同的距離。

2.2無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)擬三維實(shí)景建模對(duì)象的特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行如下設(shè)置：

①精度估算

三維模型精度P=2×R（m），P=三維模型相對(duì)精度，R=對(duì)象表明呈現(xiàn)的像素大小。

②飛行路線(xiàn)規(guī)劃

D=P/2×f×L/Ls，Ls=傳感器長(zhǎng)度（m），D=數(shù)碼相機(jī)和對(duì)象之間的距離（m），f=數(shù)碼相機(jī)的焦距（m），L=圖像長(zhǎng)度（Px），M=地面覆蓋區(qū)域大?。╩）

3 三維實(shí)景建模實(shí)例

本文的實(shí)際案例利用消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)大疆精靈Pro，三維實(shí)景建模對(duì)象為深圳市龍崗區(qū)天安數(shù)碼新城，區(qū)域面積4.8平方公里，主要建構(gòu)筑物為高層建筑，最高樓110米。

外業(yè)通過(guò)大疆自帶的飛控軟件，選擇傾斜攝影模式，設(shè)置無(wú)人機(jī)參數(shù)如下：影像傳感器1/2.3英寸，CMOS有效像素1240萬(wàn)，鏡頭FOV94°20mm（35mm格式等效），f/2.8，焦點(diǎn)無(wú)窮遠(yuǎn)，ISO范圍100～1600，電子快門(mén)速度/s8～1/8000，照片尺寸/像素4000×3000，飛行高度120，縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。因無(wú)人機(jī)電池容量限制，累積飛行了3次，耗時(shí)約3個(gè)小時(shí)，共拍攝照片494張。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用專(zhuān)用三維建模軟件完成，按照“空三計(jì)算、聯(lián)合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業(yè)流程完成模型的建立，自動(dòng)生成的三維模型，如下圖所示。

經(jīng)檢測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)景效果，可以測(cè)量高度、長(zhǎng)度、面積和體積等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了借助最先進(jìn)的三維實(shí)景建模軟件，利用普通消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，通過(guò)正確的關(guān)鍵技術(shù)和合適參數(shù)，進(jìn)行了實(shí)際案例的驗(yàn)證，為以后類(lèi)似的項(xiàng)目提供借鑒和參考。由于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)本人續(xù)航和拍攝設(shè)備的局限，其建模精度、測(cè)繪范圍和續(xù)航能力較專(zhuān)業(yè)設(shè)備差距較大，只能適合小項(xiàng)目、工程局部地物進(jìn)行三維實(shí)景建模，因此，借鑒使用前需對(duì)項(xiàng)目有一定的了解和定位。同時(shí)，必須使用同一款無(wú)人機(jī)和相同的參數(shù)采集的素材才能成功建模。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣. Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在三維城市建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間信息，2011（3）：12-14

[2] 周杰.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的方法研究[J]. 價(jià)值工程，2016，35（25）：232-235.