基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維校園建模＊

鄒娟茹，孫興華

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維校園建模＊

鄒娟茹1，孫興華2

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省公路勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710068）

傳統(tǒng)的三維建模手工編輯工作量大，建筑物貼面紋理依靠人工地面拍攝影像，屬于勞動(dòng)密集型效率低下的作業(yè)方式，嚴(yán)重制約著智慧城市建設(shè)的效率。多視傾斜影像三維建模技術(shù)的出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)360°環(huán)繞無(wú)死角拍攝，突破了航空影像豎直攝影無(wú)法獲取建筑物側(cè)面紋理的局限，為市區(qū)三維建模提供了更豐富的地理信息。同時(shí)，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的地理場(chǎng)景三維建模技術(shù)具有高效、精確、目標(biāo)遮擋小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為三維地理信息獲取采集的重要技術(shù)手段。重點(diǎn)論述了如何利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院南校區(qū)真實(shí)三維模型的構(gòu)建，并且如何精細(xì)化建模，使得模型的細(xì)節(jié)更為真實(shí)。

無(wú)人機(jī)；傾斜攝影測(cè)量技術(shù)；三維校園；建模方法

自動(dòng)化三維建模是構(gòu)建智慧校園平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)部分。高校非常有必要更新教學(xué)內(nèi)容，緊跟行業(yè)的技術(shù)前沿。因此，以楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院南校區(qū)為研究對(duì)象，采用華測(cè)P550六旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)校區(qū)做低空傾斜攝影測(cè)量。獲取數(shù)據(jù)之后，通過(guò)CC（Context Capture）軟件內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、空三解算，建立校區(qū)三維模型。之后對(duì)于模型做精細(xì)化處理，做一系列的修測(cè)修正，得到校區(qū)高質(zhì)量的三維實(shí)景模型，為教學(xué)獲取了經(jīng)驗(yàn)與一手?jǐn)?shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到提高教師與學(xué)生的實(shí)踐操作水平的目的。

1 三維校園建設(shè)的意義

三維校園相對(duì)于平面二維校園展示，更加直觀、逼真，可以實(shí)現(xiàn)多方位、多角度漫瀏覽校園景色，展示校園形象和文化。通過(guò)三維交互功能實(shí)現(xiàn)自主漫游，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。添加樓宇相關(guān)屬性信息，可以直觀地獲取各個(gè)建筑物的功用，對(duì)于招生宣傳、新生入學(xué)初識(shí)校園均起到便捷、準(zhǔn)確、快速高效的引導(dǎo)作用。

2 三維校園建設(shè)技術(shù)路線

三維建模的方法五花八門，目前最為熱門的方法是BIM和傾斜攝影測(cè)量。BIM全稱是建筑物信息模型，主要解決未建成建筑物的設(shè)計(jì)模型的搭建，而傾斜攝影測(cè)量技術(shù)目的是獲取已有建筑物、構(gòu)筑物和所在場(chǎng)景的實(shí)景模型，即所見(jiàn)即所得。在一些項(xiàng)目立項(xiàng)階段，通常將這兩種技術(shù)合起來(lái)，作為在已有城區(qū)或者場(chǎng)景下，新建建筑物與原有實(shí)景的匹配度的展示，這比起之前用平面圖靠想象來(lái)解釋項(xiàng)目可行性要直觀的多，因此，該技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用在立項(xiàng)展示中。

3 校園三維建模的方法

3.1 傾斜數(shù)據(jù)的獲取

傾斜數(shù)據(jù)的獲取主要分為測(cè)區(qū)踏勘、航線設(shè)計(jì)和飛行實(shí)施3個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)踏勘獲取測(cè)區(qū)的地形，并按照成果質(zhì)量要求，設(shè)置飛行航高、重疊度和航攝飛行方向進(jìn)行航線規(guī)劃。同時(shí)，為了獲取高精度三維模型，還需在測(cè)區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的外業(yè)像控點(diǎn)作為約束條件，像控點(diǎn)的布設(shè)分為事前控制和事后控制。事前控制用于項(xiàng)目工期時(shí)間充裕的情況，事后控制則相反。此外事后控制一般多在城鎮(zhèn)測(cè)區(qū)采用，地面自身多有規(guī)則的幾何紋理。控制點(diǎn)的數(shù)量取決于項(xiàng)目精度要求，控制點(diǎn)數(shù)量越多精度越高，一般要求在測(cè)區(qū)四周加中央均勻布點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理主要包括檢查航拍像片的質(zhì)量，是否存在漏拍、嚴(yán)重色差、云霧遮擋、不合理曝光等情況。需要對(duì)像片做勻光勻色、圖像增強(qiáng)、去畸變或者補(bǔ)拍等處理。此外，需要將POS數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)按照一定的命名規(guī)則進(jìn)行重命名，建立二者的映射關(guān)系。

3.3 校園三維模型構(gòu)建

內(nèi)業(yè)三維模型構(gòu)建主要分為空三處理和模型重建。空三處理的目的是通過(guò)提取多視角影像中的同名像點(diǎn)進(jìn)行匹配點(diǎn)連接，并進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差解算出單張影像曝光瞬間的外方位元素。模型構(gòu)建即構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并根據(jù)TIN生產(chǎn)無(wú)色彩的白模，同時(shí)根據(jù)三維模型空間位置信息及空三解算出的影像位置信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紋理的自動(dòng)映射，最終輸出基于真實(shí)自然紋理的高分辨率實(shí)景三維模型。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.1 測(cè)區(qū)概況

本次實(shí)驗(yàn)以楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院南校區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)約500 m，東西寬約600 m，測(cè)區(qū)平均高程為420 m，地勢(shì)平坦無(wú)地形起伏，建筑物較多且規(guī)則分布，最高建筑物為11層，總高度35 m。

4.2 外業(yè)航拍方案制定

采用華測(cè)P550六旋翼無(wú)人機(jī)，HC12五鏡頭傾斜相機(jī)集成了一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜相機(jī)，四個(gè)傾斜相機(jī)傾斜角度為45°。單鏡頭像素6 000×4 000，5相機(jī)總像素1.2億，物理像元尺寸是3.9 μm。校區(qū)內(nèi)建筑物多為6層高，坐南朝北，最高建筑物為11層，總高度35 m，因此，相對(duì)航高設(shè)置100 m，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為60%。為了獲取建筑物側(cè)面紋理信息，航線布設(shè)為南北向，由于傾斜相機(jī)傾角為45°，根據(jù)相對(duì)航高，可計(jì)算出航攝范圍四邊均需要外擴(kuò)100 m。

4.3 內(nèi)業(yè)三維重建

外業(yè)采集完數(shù)據(jù)后，導(dǎo)出五鏡頭像片，分別存放在“F、B、L、R、M”五個(gè)文件夾中，依次對(duì)應(yīng)“前視、后視、左視、右視、下視”。另外，還須導(dǎo)出POS數(shù)據(jù)。

外業(yè)像控采用事后控制，校區(qū)地面有明顯的規(guī)則幾何圖形，例如操場(chǎng)跑道線劃、籃球場(chǎng)地面線劃、食堂門口的藍(lán)白相間的幾何方磚等，采用RTK快速靜態(tài)多次擬合采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。整理刺點(diǎn)片、控制點(diǎn)文件。

內(nèi)業(yè)建模采用CC軟件（Context Capture）。先導(dǎo)入像片，可以提前將像片存放的位置與pos文件做成一個(gè)“block”文件，只需導(dǎo)入該塊“block”文件，即可將五鏡頭相機(jī)文件、POS數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入。建模中需要正確設(shè)置測(cè)區(qū)坐標(biāo)參考系，這將關(guān)乎建模精度。根據(jù)設(shè)備機(jī)器配置可以切分成若干個(gè)小塊進(jìn)行建模，導(dǎo)出結(jié)果為3SM的成果文件。

對(duì)于玻璃幕墻、雕塑上的字體、校門口的大字等細(xì)節(jié)建模時(shí)可以采用手機(jī)拍攝細(xì)節(jié)圖片，與航拍的像片一起參與建模，細(xì)節(jié)呈現(xiàn)清晰真實(shí)。也可以采用模型精修軟件，例如武漢天際航的“DPModeler”軟件模塊，可以選用多視角中相對(duì)某一特定方位最佳視角影像進(jìn)行替換，來(lái)達(dá)到精細(xì)化細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的目的，校園北門、南門視角實(shí)景模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 校園北門視角實(shí)景模型

圖2 校園南門視角實(shí)景模型

智慧校園功能模塊開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)自帶有三維漫游、量測(cè)功能，對(duì)于各建筑樓宇的屬性查詢，可以借助GIS軟件，對(duì)單體化后的每棟建筑物填加屬性信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)查屬性，屬性查目標(biāo)的GIS查詢功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)完成了校園實(shí)景三維模型的構(gòu)建，體現(xiàn)出傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)的快速、高效、紋理真實(shí)、細(xì)節(jié)清晰等特點(diǎn)，既可以展示校園內(nèi)優(yōu)美的環(huán)境，助力招生宣傳，又可以實(shí)現(xiàn)樓宇信息查詢，方便來(lái)訪辦事者，為校園規(guī)劃、設(shè)備管理等決策提供了數(shù)據(jù)支撐。

2095－6835（2020）20－0061－02

P231

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.024

鄒娟茹（1981—），女，陜西西安人，碩士研 究生，副教授，主要從事攝影測(cè)量及三維建模的教學(xué)和研究 工作。

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目“基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維智慧校園建設(shè)”（編號(hào)：A2018040）

〔編輯：王霞〕