基于無人機傾斜攝影的建筑物三維建模嘗試

任 誠,高利敏,馮耀樓,張 望

(1. 山西省第三地質工程勘察院,山西 晉中 030620； 2. 山西維度空間信息科技有限公司，山西 太原 030000)

近年來，我國經濟不斷發展，地理信息技術不斷進步，城市的信息化成為必然趨勢，攝影測量技術隨之快速發展，傾斜攝影測量技術應用而生。傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，從前視、俯視、后視等多個視角對同一物體進行影像信息采集，結合POS、DOM及矢量等數據進行基于影像的各種三維測量。針對傾斜攝影數據的特點，人們進行了多方面的研究探討，該技術可廣泛應用于測繪、國土安全、城市管理等領域。

1 傾斜攝影測量原理

傾斜影像是通過具有一定傾角的傾斜航攝像機獲取的，同一地物可以獲取多個視點和多視角的影像，從而得到更為詳盡、較大且多重分辨率的側面信息，拍攝影像的同時記錄航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標等參數，而后將這些影像通過區域網聯合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等流程，形成最終產品[1-3]。

2 傾斜攝影影像采集

照片的采集是整個三維模型重建過程中非常重要的一步，三維建模的效果與照片采集有密切的關系，保證影像分辨率高、重疊度大、清晰度高，拍攝光照條件好，是三維建模的必備要求。模型重建對象的每一部位至少應從3個不同的視點進行拍攝且影像航向重疊不小于80%，旁向重疊不小于50%，同一部位的不同拍攝視角之間夾角小于15°，為實現更好的效果，對局部部位進行補拍，如圖1—圖4所示。

3 Smart3D三維建模軟件的特點

Smart3D實景建模大師是一套集合了數字影像、計算機虛擬現實及計算機幾何圖形算法的全自動高清三維建模軟件解決方案，它具有方便友好的人機交互界面、良好的數據兼容性、強大的數據運算能力及較低的硬件配置要求,在三維數據建模領域是比較優秀的軟件。

Smart3D能接收各種硬件采集的多種原始影像數據，包括大、中、小型無人機和載人機、街景車、數碼相機甚至手機，無需人工干預，直接把所得影像數據還原成真實逼真的三維模型，無論是海量級城市數據，還是考古級精細到毫米的模型，都能輕松還原出最接近真實的模型。

4 多旋翼無人機城市建模案例

利用拓普康獵鷹8號八旋翼無人機對山西某建筑樓進行三維測量建模。

4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機航攝系統構成及特點

拓普康獵鷹8號八旋翼無人機為獨創專利的“V”字型八旋翼，專為監測和測繪應用量身定制，搭載索尼A7R高分辨率數碼相機,可以360°多維度、多視向拍照，適用于執行資料搜集、協調指揮、搜索、測量、通信、檢測、偵查、影視航拍等多種空中任務，見表1。

4.2 作業區域確定

利用奧維地圖Omap定位到飛行區域，結合Global Mapper標定區域拐點WGS-84坐標，如圖5所示。

表1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機主要技術參數[4]

4.3 像控點布設

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎，野外像控點目標位置、密度、分布及測量精度直接影響數據后處理精度，因此像控點的布設和選擇必須規范、嚴格、精確。注意事項有：①像控點按平高區域網航線進行布設；②對于布設在同一位置的平面點和高程點，要聯測成平高點；③地物有陰影不應作為控制點點位目標；④布設的標志應對空視角好，不能有遮擋；⑤像控點要遠離通信塔、大面積水域、電視塔等有電磁干擾區域。

本次飛行區域內分別在地面、樓頂等變化較大位置共布設20個像控點和10個檢核點，平面坐標為CGCS2000，高程系統為1985國家高程基準[4-6]。

4.4 航線規劃

飛行航線規劃的主要目標是依據飛行區域地形和環境條件信息，結合無人機綜合性能等約束條件，利用AscTec Navigator軟件規劃出最優航線，如圖6所示，保證無人機高效、快速地完成飛行任務。針對本次飛行任務規劃飛行航線為正射影像采集、傾斜影像采集及局部影像采集，飛行高度為70 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為75%，地面采樣間隔為9.76 mm，飛行速度為5 m/s，共計805張相片，如圖7所示。

4.5 內業作業流程

基于Smart3D軟件的三維建模操作流程，主要包括工程建立→影像和POS數據導入→檢查影像文件→空間坐標框架選取→控制點成果輸入→空三計算→模型生成。[7-8]

4.5.1 空中三角計算

空中三角測量是立體攝影測量中根據少量的野外控制點，進行內業控制點加密，求得加密點的三維坐標的測量方法。在數字攝影測量中，光束平差法最為常用，即是以攝影時地面點、攝影站點(投影中心)和像點三點共線條件所建立的每條空間光線作為整體平差運算中的基本單元的空中三角測量計算。

4.5.2 三維模型構建

根據正射影像、傾斜影像數據，結合空三加密解算出來的影像外方位元素，運用多視角多角度影像匹配技術，生成三維網格、密集點云，最后建立三維紋理，建立逼真的三維模型，完整地表現出地形地物的表面特性，如圖8所示。

4.6 成果分析

主要檢查三維建模數據的完整性、幾何質量、位置精度、表現質量、屬性精度和邏輯一致性等。本文采用分解法將三維模型分解到基元點，以局部精度評估整體質量。以全站儀測量隨機獲取10個檢核點坐標值作為真值，與重建模型對應的點進行對比，得出基元點的精度。

建筑物真值角點坐標M1(Xa，Ya，Za)，a∈[1，10]；構建三維模型的角點坐標N1(Xb，Yb，Zb)，b∈[1，10]。

計算得出對應點之間的距離差值為

(1)

則三維模型基元點的精度值為

(2)

具體結果見表2。

表2 距離偏移統計

根據式(1)、式(2)計算得出總體中距離偏移的平均值為9.73 mm，精度較高[9-13]。

5 結 語

基于無人機傾斜攝影，能夠快速高效地獲取高質量、高分辨率的影像，它以多視影像疊加制圖解決了類似房檐下、橋梁底部區域模型缺失或失真問題，可以低成本地獲取三維影像圖，在數字城市、工程建筑、應急指揮、災害評估、環保監測等眾多方面具有重要應用市場。