基于無人機傾斜攝影測量的精細化建模及精度分析

喬盛琪

（華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210）

0 引言

傳統(tǒng)的攝影測量學是利用光學攝影機攝取像片，通過像片來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置和相互關(guān)系的一門科學技術(shù)[1]。近年來，隨著智慧城市的興起，城市實景三維模型的構(gòu)建對于一座城市的建設起著越來越重要的作用。基于三維模型在智慧城市建設中所處的重要地位，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展使得這項技術(shù)朝著低成本、高精度和高效率的趨勢發(fā)展[2]。礦產(chǎn)行業(yè)、地質(zhì)探測業(yè)、智慧城市等諸多行業(yè)已經(jīng)因為三維模型的高可視化切實地提高了生產(chǎn)力[3]。航空攝影測量作為行業(yè)內(nèi)廣泛運用的通用測量方法，在面對新時代對于智慧城市建設提出的新要求時，已經(jīng)顯示出自身的不足。它在數(shù)據(jù)上僅能獲得物體的空間坐標和頂面信息，對于目標的側(cè)面紋理信息顯得力不從心。因此，其大大提高了構(gòu)建三維模型過程的復雜程度，并且因為缺乏有效的地面三維信息融合度而導致效果不佳[4]，正因為傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)在生產(chǎn)中的局限性，一種解決了傳統(tǒng)航空測量技術(shù)無法獲得全部地形地貌信息難題的新技術(shù)應運而生——傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)融合了航空攝影測量技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)和計算機圖像識別技術(shù)，將學科融合的思維運用其中[5]。利用消費級無人機搭載單鏡頭相機進行數(shù)據(jù)采集，短時間內(nèi)能生產(chǎn)出高質(zhì)量、高精度的三維模型，且該模型應用到數(shù)據(jù)采集中時，它的平面精度可以達到1∶500大尺度地圖的精度要求，大大減少了工作成本，縮短了繪制周期[6]。

在采集測區(qū)數(shù)據(jù)時，使用大疆精靈4RTK無人機搭載單鏡頭相機，同時使用效果較好的五向飛行；之后在實景三維模型的構(gòu)建上，使用Bentley公司開發(fā)的Context Capture軟件。對模型產(chǎn)生漏洞和變形的水面部分使用Context Capture軟件提供的約束工具進行優(yōu)化修補。結(jié)果表明，模型變形部分得到修復，且模型精度滿足標準規(guī)范要求。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

廣義的傾斜攝影技術(shù)指通過無人機搭載一個或多個高清可見光攝像頭，在被測物體上方以不同的傾斜角度采集影像，地物的位置和姿態(tài)信息需要借助航測系統(tǒng)來獲取；獲取得到的位置和姿態(tài)信息與無人機傾斜攝影獲取的影像需要一一對應，在采集數(shù)據(jù)時，保證影像的航向重疊和旁向重疊度必須超過66%。由于地表建筑和復雜地形的限制，使用飛行高度較低的航測系統(tǒng)搭載多角度傳感器可以很好地突破這一限制，而且能更快速地獲取更高質(zhì)量的地面多角度影像。密集點云是構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)，其主要是由多視影像的同名點坐標密集匹配處理得到的。最后，將影像的POS數(shù)據(jù)和地面使用GPS-RTK技術(shù)采集到的控制點數(shù)據(jù)結(jié)合，使用Context Capture軟件實現(xiàn)三維重建。

1.2 作業(yè)流程

傳統(tǒng)正射只能獲取被測物體正上方的影像，對于側(cè)面紋理無法精準獲得，為了解決這一問題，采用無人機傾斜攝影測量的五鏡頭獲取技術(shù)，獲取更符合人眼視覺真實感觀的成果。1）測量區(qū)域建筑物的高度需要先被獲取，以便確定建筑的最高點和最低點，然后用來設計無人機飛行的高度，更利于實驗的順利進行。同時獲取無人機參數(shù)，使用獲取的信息設計飛行計劃。2）根據(jù)測區(qū)的情況，布設像控點，使用GPS-RTK技術(shù)進行采集，需要注意的是，只有測量結(jié)果的坐標系與RTK的坐標系一致時，才能得到準確的結(jié)果。3）通過無人機外業(yè)獲取航空影像及其對應的POS數(shù)據(jù)，檢查采集得到的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格，并對重疊度不合格和出現(xiàn)變形的區(qū)域進行補拍。4）在保證影像數(shù)據(jù)沒有問題后，使用Context Capture軟件對數(shù)據(jù)進行處理，即對航空影像進行空三加密。5）傾斜攝影采集到的多視影像可以使用軟件通過密集匹配自動尋找連接點，通過連接點構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)，實現(xiàn)三維重建即在完成三維紋理映射的不規(guī)則三角網(wǎng)形成的白模上賦予紋理。6）對模型進行優(yōu)化，修復模型空洞和變形的地方，并分析模型精度。構(gòu)建三維模型的流程如圖1所示。

圖1 構(gòu)建三維模型的流程圖

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

2.1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)為華北理工大學大禮堂，面積約31 288 m2，形狀類似“鳥巢”，屬于異形建筑，且建筑物由鋼結(jié)構(gòu)建成，存在較多玻璃鏡面，高度錯落，結(jié)構(gòu)較為復雜，周圍覆蓋大面積水域。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 數(shù)據(jù)采集工具

本次實驗數(shù)據(jù)使用DJ Phantom 4 RTK和GNSSRTK分別獲得影像數(shù)據(jù)和像控點及檢查點坐標。DJ Phantom 4 RTK是一款小型多旋翼高精度航測無人機，具有操作簡便、飛行速度快等優(yōu)勢。主要面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)。航攝系統(tǒng)由飛行器、云臺相機、遙控器和安裝飛控軟件的平板電腦或智能手機組成[7]。飛控系統(tǒng)為雙冗余度IMU和指南針系統(tǒng)；云臺的角度控制精度為±0.02°，可控轉(zhuǎn)動范圍為俯仰-90°~30°；相機鏡頭為FOV84°、24 mm（35 mm格式等效），f/2.8-f/11帶自動對焦；相機傳感器為1英寸/CMOS，總像素為2 048萬，其中有效像素為2 000萬。 照片最大分辨率為5 472*3 078、4 864*3 648、5 742*3 648，分別對應16∶9、4∶3、3∶2的寬高比。無人機采集的影像數(shù)據(jù)主要參數(shù)如表1所示。

表1 無人機采集的影像數(shù)據(jù)參數(shù)

2.2.2 數(shù)據(jù)采集流程

1）測區(qū)現(xiàn)場勘察。經(jīng)勘察，測區(qū)面積約31 288 m2，北向被靜湖環(huán)繞，地處學校最北，無建筑物遮擋，所以風速較大。建筑物平面呈偏圓形，存在階梯型建筑，布設控制點時需注意高程落差。大禮堂周邊建筑最高為20 m，大禮堂高約30 m，飛機飛行設置航高需至少高過最高建筑物15 m。

2）像控點及檢查點布設。在測區(qū)內(nèi)布設像控點的工作需要在無人機起飛前進行，像控點的位置需要根據(jù)測控區(qū)域的地形和無人機飛行路線確定。相鄰兩像控點的距離應根據(jù)航高和影片重疊率計算，并在相應地圖軟件上進行標注。設置特殊地形和建筑物密集區(qū)的非地標像控點和檢查點可在航測結(jié)束后，在航片上選擇明顯地物進行選刺，小面積且地形平整的測區(qū)布設5個控制點即可滿足要求。根據(jù)測區(qū)勘察，存在高程落差，所以布設6個控制點，6個像控點的布設如圖2所示。檢查點則選取建筑物附近標志位置分別進行采集，得到的像控點及檢查點坐標如表2所示。

表2 像控點及檢查點數(shù)據(jù)

圖2 像控點布設圖

3）無人機航線規(guī)劃。實驗中，利用地面飛行控制軟件，完成飛行路線的設計與影像的采集。在數(shù)據(jù)采集工作中，選用效果較好的五向飛行，以達到傾斜攝影的效果。DJ Phantom 4 RTK搭載的是單鏡頭相機，需調(diào)整鏡頭的角度，分別采集大禮堂四個方向，外加一組正射影像。實驗航高設置為60 m，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為75%，傾角設置為60°，拍照方式為定時拍攝。

4）影像采集。航線設置完成后，觀察周圍天氣及人員情況，準備飛行。在飛行過程中，要尤其注意無人機是否與地面站保持良好通信，切記保持與RTK連接以保證數(shù)據(jù)的精度。飛行約8個架次，每個架次約17 min，共得到2 099張像片，部分像片示例如圖3所示。

圖3 部分像片示例

3 實景三維模型構(gòu)建

實景三維模型構(gòu)建主要分為數(shù)據(jù)整理準備、內(nèi)業(yè)處理軟件選擇、實驗數(shù)據(jù)篩選、定義模型坐標系、水面破洞修復、模型修飾、數(shù)據(jù)導出等步驟。

3.1 實驗數(shù)據(jù)篩選

需要對采集得到的影像數(shù)據(jù)進行篩選，對于出現(xiàn)影像不清晰、影像數(shù)量不充足、照片較暗等問題的區(qū)域，需要及時進行補飛；部分影像若出現(xiàn)光線強度不足、色彩亮度不足等可以通過軟件處理的問題，應及時進行勻光勻色處理。

3.2 Context Capture 三維建模

在篩選實驗數(shù)據(jù)之后，利用Context Capture軟件進行三維建模。首先，要注意軟件只識別英文字符，需要在新建工程時對文件名和儲存路徑都使用英文進行命名；其次，導入采集并完善后的照片數(shù)據(jù)，傳感器尺寸和焦距大小需要根據(jù)前期獲取的無人機參數(shù)進行設置，軟件會自動識別并檢查影像文件是否完整；最后，在軟件界面將空中三角測量結(jié)果進行提交。Context Capture自動建模系統(tǒng)空三加密的方法采用的是光束法區(qū)域網(wǎng)平差。在Context Capture建模系統(tǒng)中，通過人工確定一定數(shù)量的控制點，即將使用RTK技術(shù)采集得到的像控點坐標導入軟件中并對其進行刺點操作，軟件會自動進行空中三角加密。

在完成了空三加密之后，就可以利用獲取到的高精度三維點云來構(gòu)造出一個不規(guī)則的三角網(wǎng)。在建立了不規(guī)則三角網(wǎng)后，可以得到白模，紋理映射則是在白模的基礎(chǔ)上進行表面紋理賦予，也就是通過三維模型獲得二維空間點的相應顏色，從而獲得與真實色彩視覺一致的三維模型，獲取的模型成果如圖4所示。

圖4 三維模型成果

3.3 實景三維模型修復

不規(guī)則三角網(wǎng)的大小和密集程度與航片重疊度和采集區(qū)域地物的復雜程度有關(guān)，地物紋理越復雜，模型紋理越清晰[7]，所以當?shù)匚锛y理較少時，即使?jié)M足航片重疊度，重建得到的模型也會出現(xiàn)空洞或者變形的情況。因此，模型附近存在大面積水域，在模型重建過程中便出現(xiàn)了大面積的水面變形。

針對此類問題，Context Capture提供了一個約束工具，在模型重建結(jié)束后再對模型變形或出現(xiàn)空洞的地方進行修復。首先，用Acute 3D Viewer將重建完成的3mx格式的模型打開，使用測量工具測量水面的高度[8-9]；其次，使用LSV繪制一個范圍，選定相應的坐標系統(tǒng)，并統(tǒng)一給定測量得到的水面高度，修改結(jié)束后以kml格式輸出；最后，在Context Capture軟件中的Reconstruction Constraints對應位置中將輸出的kml文件導入，點擊提交更新。

3.4 實景三維模型成果

3.4.1 水面修復成果

經(jīng)過水面約束后，最后的三維模型效果如圖5所示。與圖4對比，經(jīng)過修復之后的模型水面部分平整，說明在用戶手動為水面添加平面約束后，輸出的水面模型就會非常平整。

圖5 修復模型成果

3.4.2 精度分析

在得到重建并修復完成的模型后，對模型進行精度檢查是必不可少的一步。通過對比測量實地點坐標和模型對應量測坐標，分析模型精度[10-11]。將像控點及檢查點坐標間的差值看作真差值，根據(jù)這些真差值計算得出模型點實際坐標的精度，具體計算公式如下：

得出三維模型坐標實際精度為：μx=0.055 14 m，μy=0.120 95 m，μz=0.017 407 m。計算結(jié)果說明模型點位精度較高，高程坐標精度比平面精度高，均滿足要求，可以投入應用。

4 結(jié)語

本文采用便攜式無人機大疆精靈4 RTK傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建實景三維模型。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了無人機的操作簡便、成本低的優(yōu)勢，通過五向飛行，在短時間內(nèi)制作出高精度、高品質(zhì)的模型，并通過軟件提供的約束工具，對模型中出現(xiàn)大面積水域的地方進行修補和恢復。實驗表明，本文所提出的技術(shù)方案是切實可行的，且其精度達到了技術(shù)規(guī)范的要求。