一種基于無人機影像的建筑物三維模型構建方法

唐婷婷，楊晶晶

（1.中國建筑材料工業地質勘查中心江蘇總隊，南京 211135；2.河北匠安科技有限公司，河北 三河 065200）

1 引言

在三維建設模型迅速發展的“數字城市”建設過程中，城市的三維模型的重要性越來越突出[1]，它作為“數字城市”建設的重要基礎數據，在防災救災和文化保護中也有很大的作用。

在測繪地理信息行業， 具有真實視覺效果的三維模型一直是廣大測繪從業者所追求的目標。 傳統的二維數據和影像越來越無法滿足社會生產和生活需求。 在規劃、設計、交通等方面，立體化發展要求獲得更加真實的三維模型。 然而無人機是建設“數字城市”的一個重要工具，傳統的二維測量工具，像經緯儀、全站儀等已經不能滿足人們對數據獲取的要求，傳統測量手段獲取數據慢且不能形象地體現物體的各種特征。 無人機具有靈活快速、使用成本低、風險較小、維護操作簡單等技術特點，因此，作為一種比較理想的飛行平臺進行局部區域大比例尺航空攝影是一種經濟實用的技術方案[2]。

現在國內外三維建模迅速發展，建模方法多，三維建模內容豐富。 本文是基于攝影測量的建模。 攝影測量建模技術里，雙目立體攝影技術屬于傳統技術，它更多的是得到頂部信息，側面信息比較少。 傾斜攝影是近幾年國際上新興的一種高新攝影技術。 本文利用傳統航空攝影測量針對某學校實驗樓進行建模，不受時空限制，效果好。

2 無人機數據采集

2.1 無人機平臺

飛行平臺是無人機航測系統的重要組成部分， 它主要負責搭載動力系統、數碼相機等傳感器、電力設備、導航儀器等一些飛行必需的設備， 然后把成像傳感器系統直接送到空中沿著設定預設航線飛行[3]。本次使用的是四旋翼搭載SONY ILCE-6000 數碼相機的無人機對測試的實驗樓進行航拍。 無人機搭載的相機參數見表1。

表1 相機參數

2.2 飛行過程

本次飛行中，不僅要保證像片立體量測以及拼接的精度，還要保證影像的重疊度。 影像重疊度包含了航向重疊和旁向重疊，航向重疊就是相鄰兩張像片在同一航線上的重疊，旁向重疊指的是相鄰航線上的重疊。 本次飛行計劃，飛行重疊度在75%～85%，飛行高度在230 m 左右。 重疊度滿足要求。

飛行結束后，應就地檢查獲取數據的質量，避免出現因影像質量問題而影響內業成圖精度。 飛行任務完成后開始對照片進行篩選， 剔除掉起飛和降落時候拍攝的影像，只保留航線飛行時拍攝的影像照片。 本次飛行在滿足重疊度的情況下， 需要利用影像裁剪工具對影像的邊緣進行適當裁剪。

經過上述改正之后， 獲取的數據包括影像照片和POS 數據，POS 數據由三維坐標（x，y，z）以及3 個偏航角6 個外方元素組成。 本次飛行獲得的POS 數據見表2，影像照片如圖1所示。

圖1 影像照片

表2 POS 數據

3 Phot oScan 密集點云生成

PhotoScan 是一款基于影像自動生成高品質三維模型的成熟軟件。PhotoScan 不需要設置初始值，也不需要相機檢校，它依據最新的多視圖三維重建技術， 能夠對任意拍攝的照片進行處理，不需要控制點，能夠由靜止的照片自動生成密集的點云。 照片拍攝的位置也可以是任意的，無論是航攝相片還是高分辨率數碼相機拍攝的影像都可以使用。

將無人機獲取的POS 數據導入PhotoScan 軟件，PhotoScan根據攝影測量的基本原理，匹配重疊照片間的同名點，計算出照片拍攝位置，搜索并對齊圖片的相同點云[4]。 與此同時采集每張照片的相機的位置并修正相機的參數。 最后生成稀疏點云和相機位置信息， 根據相機的位置和圖片自身創建密集點云，生成點云之后在PhotoScan 里的效果圖如圖2 所示。

圖2 Phot oScan 效果圖

4 基于點云的三維建模方法

三維建模工具有很多，本文中用到建模軟件是MicroStation V8i，MicroStation V8i 是一款專業的CAD 制圖軟件，也是比較基礎的一款軟件。 它集合了二維繪圖、三維建模以及工程可視化等功能，可以適用于公用事業系統、公路和鐵路、建筑、橋梁、通信網絡、采礦等領域[5]。 MicroStation V8i(SELECTseries 3）也具有非常強大的擴展性和兼容性，可以通過一些第三方軟件實現諸多特效。

經過將點云導入軟件、構建線條模型以及調整紋理之后，完成了整個三維建模，可以看到效果圖。生成的效果圖見圖3。

圖3 Mi cr oSt at i on V8i 效果圖

5 結論

本文利用某學校試驗樓來構建三維模型， 較好地展現了基于攝影測量建模方面的優點， 攝影測量能夠快速有效地獲取數據成果， 這種建模方法對構建單一規則的建筑物也能夠高效、快速地構建出美觀三維模型。 從三維建模模型來看，外形相似度也是比較高的。 所以，此次所用的建模方法是可行有效的，對城市三維建模和數字城市建設也有著一定參考意義。通過本次研究， 驗證了攝影測量及建模技術可較好地為人民服務，可大力發展基于無人機影像的災后重建，為失去家園的人們重建家園。