空地一體化實景三維建模在智慧校園中的應用研究

王 倩，劉 攀，楊景祺

（1.甘肅建筑職業技術學院，蘭州 730050；2.哈爾濱市第三中學校（南崗校區），哈爾濱 150001）

隨著虛擬現實（VR）等信息技術的發展，3S技術、三維激光掃描技術迎來了高速增長，地理信息技術行業進入了“大數據時代”[1]。并以豐富的地理信息數據為基礎建立和完善了地理信息系統。地理信息數據的完善為“智慧城市”的建立打下了良好的基礎，為人們的生活帶來了巨大的便利。作為“智慧城市”在教育領域中的一部分，“智慧校園”建設也受到極大的關注。國家先后發表了相關規范，鼓勵以真實校園為藍本，融合計算機、虛擬現實技術、GIS和測繪生產技術等構建以“智慧校園”為主題的三維實景精細化模型，加快和完成“智慧城市”的建設。

作為獲取數據的主要方法，無人機航空攝影測量技術的發展日新月異。傾斜攝影測量多鏡頭、多角度的數據可以完成遮擋、困難地勢的地面數據采集，并以DEM、DOM及DLG等形式輸出，相比傳統的無人機航空攝影測量單鏡頭、垂直角度獲取DOM，傾斜攝影測量具有范圍大、周期短和效率高等優勢。在數據處理上，傳統的三維建模表面紋理經過拉伸后也呈現出凹凸不平、破洞等瑕疵，精細化、真實程度不夠。通過近地面數據采集實現空地一體化多源數據融合建模，可極大地提升模型精細化程度與建模效率。空地一體化建模方式已經廣泛應用于智慧城市、智慧園區[2]建設、地理國情監測、土地規劃和防震救災等領域，將是攝影測量技術發展的新趨勢，也是當前實景三維建模研究領域的熱門話題之一。

1 研究現狀

關于三維建模方法，根據模型的精細化程度及原始數據來源的不同，三維模型構建方法大致可分為：空中三維建模、近景三維建模和空地一體化三維建模。

（1）空中攝影測量三維建模：利用無人機傾斜攝影測量獲取多角度具備一定影像重疊度的數據，恢復影像空間姿態，再利用Context Capture軟件建立空間地理信息三維實景模型[2-3]。改變了傳統無人機攝影測量只從一個垂直角度獲取數據并以DOM輸出的形式。作業效率高、速度快。其成果廣泛應用于不動產、智慧城市等建設中[4-6]。

（2）近景攝影測量三維建模：近景攝影測量技術是指對距離較近的目標物進行攝影，再通過對獲取的圖像進行一系列處理從而還原目標物體的形狀、大小及位置[7]。近景攝影技術建模已經形成很多成果，應用于古建修復、三維景觀和公路勘測設計[6]中。更適合局部精細化，在大規模城市建設中比較少。

（3）空地一體化三維建模：空地一體化建模是利用無人機平臺搭載傾斜攝影相機、激光掃描儀等傳感器進行數據采集[8]。其特點是融合多源數據，速度快、效率高[9]，被廣泛用于大范圍城市三維模型的快速重建中[10]。

以上各種方法都各有弊端，空中攝影測量精細化程度不夠，近景攝影測量不適用大范圍區域，三維激光掃描快速、信息量大但不適合局部掃描。因此依據不同數據源，將空地數據源融合，發揮各自的優點，是目前建模方法最具優勢的一種。

2 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量學是通過同一航攝儀上搭載多視角航攝儀，目前最常用的是五鏡頭攝像機，可以同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同視角來同步采集影像[11]，采集同時可以記錄航高、坐標參數，獲取不同視角下的建筑物表面。相比二維的正射投影圖，更具有立體感。

無人機傾斜攝影測量技術近年來發展迅速。其原理如圖1所示，其通過在同一飛行平臺上搭載多視角航攝儀，目前最常用的是五鏡頭攝像機，可以同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同視角來同步采集影像[12]，同時還可以自動記錄航高、坐標參數，可以獲取不同角度的建筑物紋理。對比傳統的正射投影圖只能獲取一個方向的平面數據，多角度的拍攝更具有立體感，為之后的三維實景建模提供了豐富的數據。

圖1 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量系統由飛行系統、采集系統和地面系統組成，如圖2所示。其中飛行平臺主要是小型直升機或者無人機；作業人員主要包括專業飛行及地面監測人員等[12]。

圖2 傾斜攝影系統組成

3 數據獲取

無人機傾斜攝影測量的技術流程如圖3、圖4所示，包括野外勘察、空域申請、方案設計和航攝準備，數據采集、整理與提交幾個流程。

圖3 數據采集技術流程圖

圖4 數據處理技術流程

以甘肅建筑職業技術學院蘭州校園為實驗建模區。地址位于蘭州市七里河區晏家坪街道。占地面積312畝（1畝約等于667 m2），建筑面積18.2萬m2。測區地勢平坦，主要包括體育館、教學樓等建筑物。

相機像元尺寸為0.012 mm，比例尺為1∶500，相機焦距35 mm，計算航行高度，根據公式可得

飛行高度為H=175 m。根據GH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規范》規定和精靈4航攝設備精度要求，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為75%。

傾斜攝影方面利用大疆無人機M400搭載睿鉑5鏡頭進行航攝，設置4條航帶，獲取影像852張。

地面近景影像使用精靈4RTK無人機手動飛行拍攝，以近地面5 m、15 m、20 m 3個高度進行航攝設計，并以單反相機協助拍攝。使用南方RTK定位。設置影像重疊度保證拍攝質量。共獲取845張影像。鑒于不同數據源影像分辨率差異性，以過度高度設計二次飛行來加大重疊度。

使用空中三角與控制點聯合平差，使不同數據源電源密度一致，空間坐標參考系一致。

4 三維建模及精度評定

采用軟件Context Capture分別處理傾斜攝影影像和近景攝影影像數據，導入遙感影像，進行三維模型重建。獲取兩者初始位置。再將兩者影像合并、刺點，獲得不同數據源的混合點云，構建實景化三維模型。如圖5所示。后期可以使用Dp Modeler進行三維模型優化，相對單一數據源，空地一體化建模效果更為逼真，達到“智慧校園”建設標準。

圖5 無人機試驗區三維建模效果圖

最后進行精度評價與檢驗，選取實驗區10個檢查點，并量測其坐標，同時在三維模型上這些檢查點對應位置的坐標，然后計算檢查點坐標中誤差，進行誤差統計，精度統計見表1。

表1 精度統計表

計算X和Y方向的中誤差

綜上所述，點位中誤差3.23 cm，空地一體化建模精度滿足大比例尺地形圖測繪及工程建設的需要。

5 結束語

無人機傾斜攝影測量技術已經廣泛應用于各個領域中，使用軟件Context Capture進行三維實景建模，并使用空地一體多源數據融合建模的方式提升模型效果與精細化程度，將成為未來三維實景建模的主要發展趨勢。