基于固定翼無人機的黃河三角洲民居建模研究

宋方旭　栗衍香　史慧敏　史慶通

摘 要：無人機低空航攝作為新型數(shù)據(jù)采集手段，具有儀器靈活機動、作業(yè)效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于數(shù)字城市建設、村莊規(guī)劃等方面。以固定翼無人機為載體，以黃河三角洲某村莊建模為研究對象，闡述其數(shù)據(jù)采集、空三解算與模型生產(chǎn)的相關流程，獲取了數(shù)字表面模型DSM，為采用固定翼無人機開展相關的建模研究提供參考。

關鍵詞：攝影測量;固定翼無人機單鏡頭;空中三角測量;紋理映射

文章編號：1004-7026（2019）17-0135-02? ? ? ? ?中國圖書分類號：P23? ? ? ? 文獻標志碼：A

近年來，由于“數(shù)字城市”在國內(nèi)迅速發(fā)展，無人機攝影測量也日益成熟。傾斜攝測量的無人機航攝數(shù)據(jù)獲取方式，已在智慧城市建設等方面發(fā)揮著重要作用。目前，傾斜攝影測量依賴于多鏡頭或單鏡頭多視角航飛，數(shù)據(jù)量較大，飛行過程也相對繁雜。

1? 傾斜攝影測量與三維建模軟件概述

無人機是通過遙控設備和自動化程序工作的無人飛行器，有多旋翼、固定翼、垂直起降固定翼無人機和無人飛艇等。無人機低空航攝測量具有輕便迅速、高效便捷、成本低廉、影像分辨率高等特點，有利于三維建模基礎數(shù)據(jù)的高速獲取。

低空航攝測量徹底避免了傳統(tǒng)人工建模的弊端，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的自動化處理，加快了數(shù)據(jù)采集與處理的效率，同時可用于三維模型生產(chǎn)。常見的實景三維建模軟件Context Capture，即smart3D軟件，是Bentley公司于2015年收購法國Acute3D公司而生產(chǎn)的產(chǎn)品，該軟件經(jīng)過空中三角測量、密集匹配、紋理映射等過程對航空影像進行處理，實現(xiàn)自動化的三維建模過程。Context Capture軟件主要有Master模塊、Engine模塊、Setting模塊及Acute3D Viewer模塊。Engine模塊為引擎模塊，是整個軟件的基礎;Master模塊為具體任務模塊;viewer為瀏覽工具，可對Master模塊生成的三維模型進行瀏覽;Setting模塊是該軟件的認證許可和處理系統(tǒng)信息工具。通過攝影測量數(shù)據(jù)建模得到的三維模型，擁有較好的紋理，為智慧城市建設提供了數(shù)據(jù)[1]。

2? 航測數(shù)據(jù)三維建模的關鍵技術

無人機航測數(shù)據(jù)三維建模主要涉及影像匹配、空中三角測量與紋理映射等關鍵技術，紋理映射是基于數(shù)字高程模型的三維與二維對應關系。①通過匹配算法在兩幅或多幅影像之間識別同名點，基于圖像匹配研究，采用各種算法進行特征點檢測與匹配，然后進行自動空三解算，生成DEM和DOM。②開展空中三角測量，傾斜攝影測量解算過程的核心步驟，即為空三解算，其原理是解算影像特征匹配獲得的連接點，將所有影像區(qū)域歸入地面坐標系中，獲得每張傾斜影像的外方位元素，空中三角測量精度決定成果質(zhì)量。像放點、攝影中心、物方點在同一直線上，建立從像方空間到攝影中心再到物方空間的方程。模型紋理信息是衡量三維模型精細度的關鍵指標，傾斜影像本身帶有紋理信息，因此需建立從二維紋理空間到三維模型表面的對應關系[2]。通過固定翼無人機獲得的POS數(shù)據(jù)，將二維影像上的線段投影到三維模型中的線段，實現(xiàn)線段的匹配，結合傾斜影像的總質(zhì)量、分辨率高低等因素，選取質(zhì)量較高的紋理建立紋理數(shù)據(jù)庫，用來渲染模型[3]。

3? 基于固定翼無人機的黃河三角洲民居建模研究

3.1? 影像獲取

本次作業(yè)由單鏡頭的aBee固定翼無人機執(zhí)飛，采用eMotion飛行控制軟件來設定影像GSD分辨率、航向旁向分辨率和規(guī)劃飛行航線，航帶旁向重疊率和航向重疊率均設為65%，地面分辨率為0.06 m，平均飛行線路高度為210 m，圖片間距為86.7 m。為增加影像采集數(shù)量，采用橫縱格網(wǎng)方式飛行，未添加地面像控點，航線布設見圖1。

3.2? 基于Context和Capture軟件的三維建模流程

（1）數(shù)據(jù)預處理。新建工程，導入188張影像和POS信息數(shù)據(jù)，即固定翼無人機攝影瞬間的經(jīng)緯度、飛行高度以及姿態(tài)信息。

（2）空三加密。其關鍵技術是影像匹配，主要獲取目標地物影像，生產(chǎn)地物的紋理特征。通過多基線多特征的匹配方法生成影像間的關聯(lián)點，少量外業(yè)控制點和區(qū)域網(wǎng)平差可實現(xiàn)三角測量，設置空三加密的相關參數(shù)，使各項數(shù)據(jù)滿足后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。提交空三加密任務，進行空三加密任務，并可查看空三加密結果，見表1。

（3）模型生產(chǎn)與紋理映射。利用生產(chǎn)的高密度空間點云數(shù)據(jù)，構造不規(guī)則三角網(wǎng)，構建建筑物的三維模型，將獲取的地物紋理信息進行映射，并將紋理拉伸，使建筑物側面具有相應的紋理，構成數(shù)據(jù)采集區(qū)域的數(shù)字地表模型DSM，其結果可在Acute3D Viewer中查看。

3.3? 建模成果分析

與旋翼型無人機建模相比，固定翼無人機的單次作業(yè)面積更大，正射影像獲取與三維建模的效率相對更高;但從建模效果分析，因為固定翼無人機多掛載單鏡頭采集設備，影像獲取時鏡頭垂直向下，所以盡管建模對象的頂部正射信息較好，但側面信息較少，建筑物側面紋理不如多視角傾斜攝影相機的效果顯著，部分樹木底部因遮擋存在樹干缺失等問題，后期可通過修模軟件，以添加地面所采集側面紋理的形式進行修復;固定翼無人機對山體、道路、湖泊等地貌的展示效果好，可滿足地表建模、數(shù)據(jù)量算相關的業(yè)務需求，見圖2[4-5]。

4? 結束語

使用固定翼無人機，利用Context Capture軟件完成了對黃河三角洲民居的數(shù)據(jù)采集、處理、建模，建立了黃河三角洲地區(qū)的民居數(shù)字模型，利用點云與三維數(shù)據(jù)，提升了測繪作業(yè)的生產(chǎn)效率，可用于鄉(xiāng)村規(guī)劃、立體模型測繪等，為大區(qū)域地形地貌快速建模提供了參考。

參考文獻：

[1]朱濤.淺談三維地形建模系統(tǒng)及無人機在單體建筑建模中的應用[J].江西測繪，2019（2）：22-23，30.

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[4]原喜屯，常金鐘，高鵬偉，等.無人機傾斜攝影在房地一體中的應用[J].信息技術與信息化，2019（8）：190-192.

[5]葛燕飛，楊峰.無人機傾斜攝影三維建模和應用[J].工程建設與設計，2019（16）：247-248.