基于無人機的校園建筑三維重建技術(shù)研究

李一民

（南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

傾斜攝影測量是國際測繪遙感領(lǐng)域的一項新興高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測量、計算機視覺技術(shù)，打破了傳統(tǒng)航空攝影測量只能從垂直角度拍攝正射影像獲取空間坐標和頂面信息的局限，可以從多角度獲取地面物體影像以及精細側(cè)面紋理信息[1]。隨著無人機航測技術(shù)的日益成熟，計算機及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于無人機的傾斜攝影測量三維重建技術(shù)正在朝低成本、高精度、高效率的方向發(fā)展[2]。

1 傾斜攝影測量三維重建技術(shù)原理

傾斜攝影測量三維重建技術(shù)的工作原理是通過在無人機飛行平臺上搭載傾斜相機，同時從垂直、前視、后視、左視、右視五個不同角度獲取高分辨率影像的攝影測量技術(shù)。拍攝影像的同時GPS 模塊和慣性導航系統(tǒng)（IMU）會記錄影像拍攝點的位置信息和姿態(tài)參數(shù)，從而獲得地面物體更為完整準確的信息，再通過高效自動化傾斜攝影三維建模軟件Contextcapture 分析處理采集的影像數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建具有準確地理位置信息的實景三維模型[3]。

2 傾斜攝影測量三維重建技術(shù)路線

2.1 外業(yè)技術(shù)路線

圖1 外業(yè)技術(shù)路線

2.2 內(nèi)業(yè)技術(shù)路線

具體如圖2 所示。

圖2 內(nèi)業(yè)技術(shù)路線

3 校園建筑三維重建項目實施

3.1 項目概況

3.1.1 項目內(nèi)容

本項目選取了南京財經(jīng)大學“帆船”體育館作為研究對象，使用大疆精靈4A 無人機以及大疆Air2s 無人機分別對目標建筑從上方和四個側(cè)面進行航飛傾斜攝影，對拍攝所得的影像質(zhì)量進行檢查，再用Contextcapture、Pix4D、大疆智圖等建模軟件對拍攝所得的影像數(shù)據(jù)進行加工處理生成三維重建模型產(chǎn)品。

3.1.2 項目成員

本項目小組成員共5 人，其中記錄員1 人負責記錄無人機傾斜攝影日志，測量員1 人負責測量建筑實際高度，飛手1 人負責無人機的操控以及傾斜影像采集工作，安全員2 人負責無人機設(shè)備及相機的飛行前檢查以及無人機飛行過程中安全保障工作。

3.2 航測外業(yè)設(shè)計

3.2.1 測區(qū)概況

南京財經(jīng)大學“帆船”體育館，位于仙林校區(qū)西側(cè)，總建筑面積17598m2,建筑用地面積10968m2，建筑頂部呈波浪形，分為地上和地下兩層，周圍無較多無線電設(shè)備、電線桿及樹木，有利于項目的順利進行，測區(qū)概貌如圖3 所示。

圖3 測區(qū)概貌

3.2.2 航線規(guī)劃設(shè)計

外業(yè)航線設(shè)計是制作高質(zhì)量三維重建模型的關(guān)鍵航線，需要根據(jù)測區(qū)的地形地貌來進行設(shè)計，必須為內(nèi)業(yè)正射影像的制作提供高重疊率。本項目主體研究對象為南京財經(jīng)大學西苑“帆船”體育館，體育館面積較大，結(jié)構(gòu)較為復雜。為了獲取更多建筑影像細節(jié)，航線設(shè)計在普通S 型航線航飛傾斜攝影的基礎(chǔ)上，融入了貼近攝影測量、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影、全方位航線傾斜攝影[4]。

3.2.3 飛行前檢查

1.設(shè)備檢查：無人機開始作業(yè)前做好所有設(shè)備檢測，如：SD 卡是否能正常使用，云臺相機是否粘灰，云臺是否能正常變換角度等。

2.導航系統(tǒng)：全部航攝飛行流程都需要影像點的GPS 信息，獲取正射影像時需要采用GPS 系統(tǒng)導航自動采集影像。飛行中經(jīng)常檢查GPS 導航儀的工作狀況，防止因為建筑遮擋、磁場干擾等造成GPS 失效。

3.航高：按照設(shè)計航高飛行，同一航線相鄰相片的航高差不得大于20m，實際航高與設(shè)計航高之差小于設(shè)計航高的5%。

3.2.4 航拍影像質(zhì)量控制

1.影像的曝光不足、影像的重影、散焦和噪點，將嚴重影響三維建模產(chǎn)品的質(zhì)量，在外出作業(yè)時提前看好天氣預報，在多云天氣拍攝比晴天拍攝效果更好。本項目影像采集時間安排在下午一點至四點，確保影像陰影區(qū)域變化最小化。

2.拍攝前調(diào)整并使用最合適的快門、光圈、ISO 值。在整個項目中始終使用相同的焦距，保持光照基本恒定，陰影區(qū)域變化最小化，避免拍攝模糊照片、使用閃光燈、光學防抖，對拍攝好的照片不要進行任何的編輯。

3.2.5 航測影像獲取

為了獲取更多“帆船”體育館影像細節(jié)，提高后期內(nèi)業(yè)模型精度，本項目的航線設(shè)計在普通S 型航線航飛傾斜攝影的基礎(chǔ)上，融入了貼近攝影、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影、全方位航線傾斜攝影。本項目對“帆船”體育館共采集航測影像1511 張，刪除模糊影像20 張。在距離“帆船”體育館最高點10m 處，通過普通S 型航線、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影獲取“帆船”體育館的正射影像220 張，傾斜影像220 張，在“帆船”體育館四周采用貼近攝影、全方位航線傾斜攝影的方式捕捉更多建筑細節(jié)，獲取影像1051 張。

3.3 航測內(nèi)業(yè)生產(chǎn)

3.3.1 ContextCapture 工程創(chuàng)建

打開Context-Capture 軟件，在選擇的主頁面上點擊新工程，新建一個工程，編輯工程名稱（工程名稱不能為中文），再選擇工程文件位置，點擊確認即可完成過程創(chuàng)建。

3.3.2 傾斜攝影影像導入

在新建一個工程以后，Context-Capture 軟件會自動產(chǎn)生一個空白區(qū)塊Block1，點擊影像板塊，添加影像，選擇傾斜攝影影像所在的文件夾導入全部影像即可。由于大疆無人機所拍攝的傾斜攝影影像都是自帶POS信息，因此導入影像后也可以直接獲取影像的POS 信息，無需再次導入影像POS 文件。

3.3.3 空中三角測量

導入數(shù)據(jù)后確認無誤以后，在概要板塊中右側(cè)點擊提交空中三角測量，如果提交一次空中三角測量之后，影像太多不能用于三維重建，可以再提交一次空中三角測量。提交完成之后，軟件將自動進行提取特征點、多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、點云構(gòu)建等流程，空中三角測量完成之后，得到測區(qū)的點云數(shù)據(jù)[5]。

3.3.4 三維重建模型生產(chǎn)

在構(gòu)建模型的過程中，軟件會自動生成高密度的點云數(shù)據(jù)。利用這些點云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建不同層次的不規(guī)則三角網(wǎng)，同時還得到了帶有白模的三維模型[6]。因為每張影像都具有精確的位置信息，軟件可以依據(jù)這些信息計算出每個三角網(wǎng)所對應(yīng)的影像中的位置，然后將紋理信息與三維 TIN 模型進行配準，最后進行紋理影像反投影實現(xiàn)紋理貼附，最終完成“帆船”體育館三維重建模型的構(gòu)建。測區(qū)局部區(qū)域的三維城市景觀模型成果如圖4 所示。

圖4 測區(qū)三維重建實景模型

4 精度評定

本項目選取了多個檢查點與實際測量數(shù)據(jù)對比檢查取均值求得本次空三精度平面最大誤差0.03m，高程最大誤差0.04m，均在規(guī)定的限差內(nèi)，所以三維重建模型的精度是可以滿足1：500 地形圖精度要求的。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的地理信息獲取工作一般是通過人工測量的方式進行，具有工作成本高、精度低、效率低等問題。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，無人機傾斜攝影測量以其低成本、高精度、高效率的優(yōu)勢可以在校園規(guī)劃中獲得一席之地。