基于傾斜攝影的三維模型重建的可行性研究

王楊玚 鐘永康 董 嘯

(桂林電子科技大學建筑與交通工程學院,廣西 桂林541004)

無人機傾斜攝影的原理是將相機裝載于無人機上，利用無人機同時從前、后、左、右和垂直五個不同的方向獲取高精度全景地表影像，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，可以使無人機從多個角度記錄地物，更加真實的反映地物的實際情況。無人機攜帶的相機可以將三維場景轉換為記錄著拍攝瞬間的航高、POS信息、相機參數等信息的二維相片，然后利用Context Capture對采集的高清影像數據進行處理，輸出三角網格模型。該模型分辨率高，帶有真實紋理，能準確精細地復原出建模對象的真實色澤、幾何形態以及細節構成，解決了大范圍復雜地形數據采集及三維模型重建的問題，即從二維相片重建三維場景。用高清相機對物體進行多角度拍照，經計算機自動處理形成物體的三維數字模型（帶紋理），非常適合用于3D建筑細部、逆向工程、文物展示和復制，生成精確的三維模型。

1 無人機數據采集

采用大疆精靈4 Pro V2.0 無人機搭載FC6310相機對桂林電子科技大學花江校區第13、14教學樓及周邊場地進行航空攝影，被測區域位于東經25°18′48″，北緯110°24′42″，面積約為29535m3。無人機飛行相對航高50m，旁向重疊率70%，航向重疊率80%，相機對地面傾斜45°拍攝，焦距9mm，對測區以下視、前視、后視、左視、右視進行五架次飛行任務。航測影像分辨率5472像素×3648像素，水平分辨率以及垂直分辨率均為72dpi。外業航測日期為2021年1月15日，空氣濕度80%，天氣晴朗，氣溫11℃，天氣狀況適宜無人機飛行，此次航測任務無人機獲得航測影像239張。無人機飛行參數，航帶路徑如圖1所示。

圖1 航測參數設置圖

被測區域內第13教學樓長度約為78m，寬度約為23m，高度約為27m；第14教學樓長度約為75m，寬度約為24m，高度約為27m。建筑外立面形式均為飾面磚材與白色、黃色外墻涂料相結合，外觀立體，造型多樣。建筑屋頂均采用斜屋頂的形式，鋪設藏青色瓦片，層次分明，結構復雜。

2 實驗過程

利用大疆精靈4 Pro V2.0 無人機對桂林電子科技大學花江校區第13、14教學樓及周邊場地獲取三維空間數據，利用Context Capture后處理軟件進行逆向三維建模。即通過規劃設計飛行航線得到正射影像及傾斜影像圖，結合地面像控點進行全自動空三計算，并在之前選取的掃描站點獲取點云數據，提取、去噪、擬合等數據處理后，構建TIN模型，通過3D紋理映射處理生成三維模型。

Context Capture是一種基于Smart3D Capture技術開發的允許從簡單照片生成高分辨率3D模型的caxead工具，利用數學形態學實現形態學分析和處理算法的并行，提高圖像分析和處理的速度的同時，更加精確地建立出建筑的三維模型，實現“所見即所得”。

該款實景建模軟件可構建規模最大最具挑戰性的三維實景模型，包括根據普通照片創建達到整個城市規模的模型。利用Context Capture將輸入的無人機收集的傾斜影像處理得到具有豐富紋理的高分辨率的三維模型或點云模型。成果模型格式兼容行良好，可支持鑲嵌于多種不同的三維地理信息平臺上，方便進行模型的可視化瀏覽、編輯與存儲管理。

Context Capture后處理流程：

(1)打開Context Capture Master模塊新建工程，導入無人機傾斜攝影測量影像、飛行位置和角元素數據文件。

(2)根據無人機搭載相機型號設置鏡頭和焦距參數，通過設置降低采樣以減少要處理的信息量，從而快速處理較大的影像數據集和生成三維模型草稿，進而完成影像組參數設置。

(3)檢查影像文件，瀏覽區塊影像，并檢查影像文件的完整性和尺寸，排除有問題的相片。

(4)糾正傾斜測量影像，增加測量高程控制點、平高控制點和平面控制點信息。

(5)設置其他數據：導入經過處理的RGB點云數據文件，添加連接點和控制點。

(6)設置坐標系統，保證激光點云數據與影像模型數據是基于同一坐標系，并在3D視圖中查看。

(7)提交空中三角測量，設置空三區塊的名稱和描述，將傾斜測量影像數據和三維點云進行空中三角解算。空中三角測量計算可以自動且準確地估算每幅輸入影像的位置、角元素和焦距、主點、鏡頭暗變等相機屬性，從輸入區塊開始，然后根據選定參數生成新的完整區塊和平差區塊。

(8)重建項目，模型生產，生成具有豐富紋理和細節生動的三維模型。

3 結果分析

通過Context Capture處理得到1:500建筑實景三維模型，在測區內選取4個點進行精度評定，使用全站儀測量4個點的平面與高程，測得的平面位置中誤差與高程中誤差均滿足《數字航空攝影測量空中三角測量規范》(GBT 23236-2009)中1:500地形圖誤差最大限值要求。

Context Capture軟件是通過三維重建算法實現模型構建，經過簡單的人機交互操作可以構建出較高精度的實景三維模型。雖然該軟件適用于大多數場景，但仍存在一些局限性，例如當前多數算法和軟件普遍存在的無法識別反光、缺乏紋理、移動的物體。（圖2）

圖2 第13、14教學樓實景三維模型

4 無人機傾斜攝影建模優勢

4.1 設備價格低廉。利用消費級無人機就可以快速完成現場采集工作，且能夠滿足后續處理和成果精度要求；較傳統測繪用三維激光掃描儀等設備，價格很低。

4.2 速度快，安全保障高。較傳統建筑逆向測繪方法（三維激光掃描、人工測量建模等），效率提升數倍，人工費用大幅度降低，作業人員無需進入待測場地即可完成測量工作，安全性高。

4.3 模型精度高，紋理還原度高。三維模型精度可以達到毫米級別，能夠完整重現建筑物表面紋理信息。

4.4 應用范圍廣。建筑物三維模型可以與GIS技術、BIM技術結合，為移動端應用、房地產業、文化遺產保護與展示、導醫導購、數字城市等提供精準輕量化模型和技術支撐。

4.5 針對各種三維數字城市應用，利用航空攝影大規模成圖的特點，加上從傾斜影像批量提取紋理貼圖的方式，能夠有效的降低城市三維建模成本。

5 結論

本文通過無人機傾斜攝影技術對三維實景建筑體進行三維空間數據采集，結合Context Capture軟件處理得到具有豐富紋理的高分辨率的三維模型或點云模型。使用搭載相機的無人機傾斜攝影的優勢是可以對需要測定的目標進行全方位的拍攝，完善點云信息密度，結合Context Capture軟件實現自動化實景三維模型重建，從而獲得紋理豐富的高分辨率三維模型，真實地反映實際建筑外觀及地形地貌，對建筑行業和數字城市工作中三維模型重建的實現與發展具有重要意義，為解決目前三維逆向建模效率低、曲面建模難度大、模型輕量化與不失真共存等行業共性技術難題提供技術支撐。