無人機不同航線傾斜攝影建模方法比較及改進

陳 曦，譚 鑫，高 歡，周煜鑫，馬友鵬

（1.成都理工大學信息科學與技術學院計算機科學與技術系，成都 610051）

傾斜攝影是從多角度采集特定地區圖像，以此獲取建筑物各方位高分辨率紋理的技術。利用傾斜攝影技術可以在較短時間內快速建立三維城市模型[1-2]。它不僅能夠反映該地區的真實圖像，還能夠通過特定技術對圖像進行處理，生成更加立體的三維模型。傾斜攝影技術能在規劃、測繪、應急等領域提供數據服務，有著很強的實用性[3]。

三維模型的建立質量和收集到的圖像質量緊密相關，因此，無人機拍攝的航線規劃至關重要，設計合理的航線是三維建模的關鍵所在。本文中的建模采用多旋翼單鏡頭無人機模擬傾斜攝影測量，著重于使用單鏡頭獲取全方位的視角，以保證三維建模的質量。

本文以單體建筑的傾斜攝影建模為例，多旋翼單鏡頭無人機使用大疆Mavic Pro，以兩種不同航線采集無人機影像，并通過ContextCapture建立三維模型，最后從建模的完整性和不確定性誤差兩個方面評估兩種不同航線規劃方案的優劣。

1 關鍵理論介紹

1.1 不同航線的規劃[4]

1.1.1 網帶式航線

無人機只配備有一個鏡頭，要使航線覆蓋整個研究區域，可以讓無人機保持45°的俯角，通過網帶式航線來覆蓋死角（網帶式航線即用兩條航帶式航線以90°角相交，這樣可以保證圖像的完整性，也極大地提高了圖像的獲取效率）。此外，網帶式航線還具有易于拍攝的特點，當建模區域很大時，可用這種方法快速獲得研究區域的完整圖像。航線設計如圖1所示。

圖1 網帶式航線示意圖

1.1.2 全方位航線（5個方向）

將建筑物視為一個整體，分別從正射、左視、右視方向獲取圖像。在采集一個面的圖像時，若相機能拍攝完整圖像，則可橫向飛行，直接進行拍攝，否則采用航帶式航線。在建筑物的連接處需要額外拍攝圖像。因此，這種拍攝方法主要由6部分組成，即建筑物的5個面和拐角處的補充圖像。航線如圖2所示。

圖2 全方位航線示意圖

1.2 實景建模關鍵技術

1.2.1 測試區域選擇及概況

在選取建模區域時，應該選擇遮擋較少的單體建筑。實驗表明，在遮擋較多的地方，特別是遮擋物有大量細節（如枝葉繁茂的樹）時，建模的效果會不夠準確，具體體現在這些細節處會有失真，并影響到最終模型的完整性。因此，我們應該選擇遮擋物少、結構相對簡單，但也有部分能夠反映建模質量的特征結構的單體建筑。

1.2.2 空中三角運算

空三加密是傾斜攝影測量三維建模的重要環節[5]。目前，大多數傾斜攝影空中三角測量使用傳統的POS輔助空三計算，主要方法有模擬法、解析法、航帶法、獨立模型法和光線束法。通過空中三角測量，我們可以計算獲得缺失的影像信息。

在 Context Capture Center平臺中新建工程，相機的參數會在導入照片時同時導入，這種方式可以減少整理分區內影像數據的工作量。

1.2.3 精度驗證方法比較原理

1）模型完整性比較。在建立3D模型的過程中，不同方法會有不同的模型紋理細節，不同的模型也會有不同的扭曲程度和細節丟失，有的地方甚至會出現空洞。這些細節可以幫助我們較好地比較不同航線下建立模型的優、劣勢。

2）通過位置的不確定度進行比較。位置的不確定度可以描述點位的精度。取3個方向的不確定度分別為X,Y,Z，取其最小值、中間值、最大值分別以1、2、3編號，用?來表達不確定度，利用以下表達式來衡量不確定度，其數學表達式為：

1.3 ContextCapture介紹

ContextCapture是一個用于構建大規模三維實景模型的軟件。它可以根據普通照片創建大規模建筑甚至整個城市的3D模型。此軟件市場應用時間較長，系統相對穩定，可大幅提高生產效率[6]。

2 實 例

2.1 研究區域選擇

成都理工大學香樟食堂是一個三層的類長方體單體建筑，四周遮擋較少，外表方正。在樓頂上有通風管等，可以用來查看建模的細節質量。在食堂正面，有樓梯、屋檐等復雜結構，也有大量的平面，這樣既可以用復雜部分的建模情況來比較不同航線建模的質量，也可以查看清晰的建模整體效果。因此，將這里作為建模場所比較理想。

2.2 設備規格參數

2.2.1 相 機

設備為大疆Mavic Pro自帶的相機，關鍵參數有：1）照片最大分辨率為4 000×3 000。

2）影響傳感器采用1/2.3 英寸 CMOS，有效像素1 235萬（總像素1 271萬）。

3）鏡頭參數：FOV 78.8° 28 mm（35 mm 格式等效） f/2.2。

4）對焦點：0.5 m至無窮遠。

5）ISO范圍：100～3 200（視頻），100～1 600（照片）。

6）支持存儲卡類型：Micro SDTM，最大支持 128GB 容量，傳輸速度為Class。

2.2.2 云 臺

云臺關鍵參數：

1）可控轉動范圍：俯仰：-90°～+30°，橫滾：0°或90°（橫拍及豎拍模式）。

2）穩定系統：3-軸（俯仰、橫滾、偏航）。

2.3 數據獲取

表1 拍攝數據

2.4 處理流程

圖像處理的大致流程是：

1）對圖像進行預處理，對于重復或者重合度高的圖像需要進行刪除。

2）對添加圖像即將進行的空中三角測量計算進行參數設置，如關鍵點密度、影像組件構造模式、光學屬性評估模式、焦距、主點、徑向畸變和切向畸變等。

3）使用ContextCapture Center Engine進行空中三角運算。

4）創建項目。這里需要定義項目名稱，并選擇生產項目的目標。格式及選項頁是建立三維模型的關鍵頁，在這里需要明確輸出格式、顏色源、紋理壓縮質量、最大紋理大小、細節層次等關系建模結果的參數。最后需要選擇空間參考坐標系，這里選擇WGS 84。 完成設置后開始建模。

5）項目重建完成后，可以使用Acute3DViewer來查看輸出結果。

3 對比分析

3.1 模型完整性

圖3是分別采用網帶式航線和全方位航線進行建模得到的模型結果。網帶式航線得到的結果為圖3a、全方位航線得到的結果為圖3b。

選取模型結果的關鍵部分進行比較，主要查看其完整性、紋理細節和部分扭曲的情況?？梢钥吹?，兩種航線下我們均得到了較為完整的傾斜攝影3D模型。但網帶式航線受制于其鏡頭的傾斜角度，在有屋檐遮擋的地方出現了嚴重失真。這時候，全方位航線的優勢便體現了出來，它可以收集到建筑物較為完整的圖像信息，這一點在圖3a中可以看出，在圖片左下方和廣告牌左上方，網帶式航線的模型均出現了扭曲，而相對全方位航線所建立的模型效果好很多。

對比在紋理細節上，圖3a所示的網帶式航線的三維模型紋理缺失比較嚴重，如窗戶出現了較為嚴重的失真，圖3b所示的全方位航線的三維模型在平面上的表現依然優于前者，沒有出現較為明顯的紋理細節缺失。

3.2 數據誤差

位置的不確定度是基于每一張圖片的位置不確定值所確定的。它分為X軸、Y軸、Z軸3個方向，并有最小值、中間值和最大值。其結果如表2所示。

表2 位置的不確定度

圖4是網帶式航線和全方位航線位置不確定度的比較。從圖4中可以看出，無論X軸、Y軸、Z軸方向還是總體上，全方位航線的誤差均大于網帶式航線。因此，基于2種不同航線建立的三維模型，點位精度上全方位航線略差，網帶式航線精度較高。

圖4 網帶式航線和全方位航線的不確定度比較結果

4 方法改進

由上述結論可知，網帶式航線和全方位航線各有優劣。如果采集區域很大，并且需要很高的精度，可以將兩者結合起來，這樣要求付出更長的計算時間，但能夠更好地滿足需要。將兩種航線結合之后，可以觀察拍攝點及連接點的分布，拍攝點及連接點的分布情況如圖5所示。

圖5 拍攝點及連接點 的分布情況

在這樣的情況下，建模方法模擬了五鏡頭傾斜攝影[7]，但是比五鏡頭拍攝有著更高的效率，建筑的全貌和細節都得到了不同程度的補充。用前述的兩種方法進行模型質量評估。模型完整性結果可由圖6中使用改進方法建模后全方位航線和改進方法的窗格細節 比較得到。

結果表明，改進方法所得模型的細節更加完善，圖6a使用全方位航線建模得到的窗格細節圖中，最左側柵欄有部分失真，但在圖6b中，這一側的失真得到了改善。 由于鏡頭的畸變等因素，所得模型不夠清晰。

圖6 使用全方位航線和改進方法的模型窗格細節 圖

另外，改進方法的?值為1.019 6，這說明其點位精度不高，由圖5拍攝點及連接點的分布情況可得，相機的拍攝角度確實是比較分散的，這一結果也比較符合實際。如果需要更多細節，那么還可以繼續增加照片的重疊度，當然也會相應的要求更大的計算代價。因此，充分結合兩者的優點，可以讓模型質量 更好。

5 結 語

多旋翼單鏡頭無人機在成本有限的情況下不失為一種進行傾斜攝影建模的選擇。模型的質量取決于設備品質、影像質量等[8]，也與分辨率有很大關系[9]，在這些條件不變的情況下，通過適當的航線規劃，我們仍然可以獲得質量較高的3D模型。如果需要大面積采集數據，可使用網帶式航線，這種航線規劃方法較為簡單，可以大量節省拍攝成本；若對單體建筑等進行較高細節的建模，則應該采用全方位的傾斜攝影建模方法。若結合兩者進行模型建立，其效果可以部分模擬出五鏡頭無人機拍攝的情況，效果更佳，但是相應的計算成本也更高。