面向復雜體型建筑物的無人機傾斜攝影航線規劃研究

摘要為解決復雜體型建筑物存在拍攝盲區較多、影像采集分辨率差異較大而導致建模效果差的問題，本文提出一種無人機立體環繞式攝影與精細化建模方法．選用單鏡頭小型多旋翼無人機，根據復雜建筑物外觀形態，設計出立體環繞式的影像采集航線，再將獲取影像導入Context Capture軟件進行分析和處理并完成模型建立，最后針對三維模型存在紋理缺失及模糊拉花等問題，使用DP-Modeler和3ds Max對模型進行聯動修飾．以某公園內兩相鄰建筑物為研究對象，分別采用本文方法與傳統無人機傾斜攝影方法，從建模效率、模型精度和紋理細節3方面進行對比實驗．結果表明，本文方法具有建模效率高、精度高和紋理豐富的優點，提升了復雜體型建筑物建模的質量和效率，聯動修飾解決了影像采集過程中信息缺失的問題，可以顯著提升模型細節質量．

關鍵詞無人機;立體環繞式;復雜體型建筑物;航線規劃;三維建模

中圖分類號TP79;V279 文獻標志碼A

1中國民用航空飛行學院航空電子電氣學院，廣漢，618307

0 引言

近年來，從數字地球到智慧地球的發展，引發了智慧城市建設的熱潮［1］．建筑物的實景三維建模是智慧城市建設的重要部分，建立具有真實紋理的城市三維模型擁有巨大價值．目前常用的實景三維建模方法依賴于傳統的3ds Max、CAD等建模軟件，完全依賴于人工繪制模型與紋理貼圖［2］，過程較為繁瑣，與真實的地物信息存在較大差異．在智慧城市技術不斷發展的今天，對建筑物建模需要保持良好真實性［3］，對于大范圍、大區域的城市和復雜體型的建筑物三維模型的構建，需要考慮到精細化程度、效率和性價比等因素，而傳統的建模軟件難以滿足．

隨著無人機傾斜攝影測量技術的發展，以多角度采集高分辨率、大范圍的傾斜影像數據成為建立精細化實景三維模型首選方法．在線實景三維建模對信息傳輸和硬件性能要求較高，成本過大，實用性低，因此并沒有被廣泛研究和使用．對建筑物進行拍攝后離線建模往往是一個更好的選擇［4-7］．該方法搭載單鏡頭或多鏡頭攝像機，從多個角度獲取地物信息，后期離線快速生成三維模型．隨著離線建模技術的發展，缺點和不足也逐漸顯現，如：對于地物遮擋區域、復雜體型建筑物，其紋理細節較為復雜，影像數據難以獲取，存在影像數據獲取盲區，建模難度較大;多鏡頭航攝儀價格昂貴，對于個人或小單位作業而言，成本太高，只能通過單鏡頭模擬多鏡頭的方式進行數據獲取，但無人機飛行時長往往受到電池容量限制，從而導致信息采集不完整，影響建模效果．因此，目前針對復雜體型建筑仍然缺乏合理的無人機實景建模方法．

無人機傾斜攝影技術具有快速高效、自動化程度高及低成本等優勢．如果僅是對建筑群粗略建模通常是不需要進行模型修飾的，如不動產面積計算、土方量計算、樓房外觀基本信息統計等，但本文針對單體建筑物建模的目標是模型越精細越好，而優化航線規劃盡管可以提升建模效率和精度，但始終無法避免影像采集中存在建筑物側面模糊拉花，以及大面積水域、玻璃等信息缺失的問題．為進一步提高模型細節質量，通常需要使用修模軟件對建筑物模型進行修飾，對模型進行精細化處理，如：文獻［8］使用DP-Modeler對三維模型存在道路不平整處、大面積水域鏤空以及古建筑細節處模糊等問題進行修飾;文獻［9］使用DP-Modeler對青海省某居民樓建筑與地面的三維模型存在融合不好等問題進行修飾;文獻［10］使用3ds Max對河南省鄭州市高新區某一建筑群落存在三維模型側面出現扭曲等問題進行修飾．通過對信息缺失區域進行模型修飾處理，不僅可以省去大量時間和精力進行補拍，還可提高模型整體細節質量以達到更優的模型效果．

本文提出一種立體環繞航線方式的傾斜攝影方法，選用大疆精靈phantom 4 Pro V2.0無人機設備，該設備具有方便靈活、成本低、可控性好等特點．選擇一個真實場景下某公園內兩個相鄰的復雜體型建筑物進行拍攝后脫機離線場景建模實驗，并從建模效率、建模精度、紋理部分等與傳統航線方式的傾斜攝影方法進行對比．最后通過DP-Modeler和3ds Max聯動對實景三維模型中紋理缺失和模糊拉花的部分進行模型修飾［11］，以達到模型精細化的效果．

1 復雜體型建筑物的三維建模方法

本文采用基于無人機立體環繞航線方式的實景三維建模過程包括航線規劃、影像獲取、數據處理等過程，流程如圖1所示．

1.1 航高及航攝儀傾角對地面分辨率的影響

無人機以任意角度、高度獲取影像的示意如圖2所示．O為對焦點，H為航高，f為焦距，α為相機視場角的一半，θ為相機傾角，a′為影像分辨率最小點，b′為影像分辨率最大點．

航高計算公式如下：

式中：H為相對攝影基準面的航高，單位為m;f為鏡頭焦距，單位為mm;RG為地面分辨率，單位為m;a為像元尺寸，單位為mm．

根據三角函數關系推算出影像最大最小分辨率，計算公式如下：

對于低空無人機攝影，影像的傳感器參數一定，焦距（f）與像元尺寸（a）固定不變，所得影像地面分辨率與無人機航高存在一定關系，航高越低，地面分辨率越高［12］，成像質量也越好，重建的模型精度相對較高．因此，在對復雜體型建筑物的三維建模中，需要針對不同高度建筑物設置不同的航高，保證采集到的影像具有較為統一的地面分辨率，為后期建模提供基礎保障．

航攝儀傾角的設置不同，將直接影響到獲取影像的分辨率、覆蓋范圍等，獲取影像分辨率的差異將影響到后期影像特征點提取數量、多視影像密集匹配精度以及三維模型紋理的清晰度．航攝儀傾角增大，影像分辨率和影像覆蓋范圍也逐漸增大，視野內物體較多，使得影像中被拍攝物體的分辨率差別較大，因此航攝儀的角度不宜過大．

1.2 傳統航線的傾斜攝影測量技術

傳統的無人機傾斜攝影從5個角度獲取影像，即通過1個垂直視角、4個傾斜視角（45°）對建筑物進行數據采集，獲取建筑物頂部及側面的紋理信息［13］．無人機以固定的高度在建筑物上方采用航帶網式航線規劃［14］進行拍攝．由于無人機在拍攝時高度固定、相機角度固定，因此易存在拍攝盲區，降低建筑物信息采集的完整性，尤其是對復雜體型建筑物，影響三維建模的質量［15］，如圖3所示．因此本文提出一種立體環繞航線規劃方式對建筑物進行三維建模，通過調節無人機的云臺，實現對建筑物多角度、多高度的影像采集，以獲得更加全面清晰的影像，提高三維建模的精度．

1.3 復雜體型建筑物的立體環繞航線規劃

針對復雜體型建筑物的特點，傳統航線方式因高度固定、角度固定存在較多拍攝盲區的問題，本文提出一種適應性更好的立體環繞航線方式，采用根據地物各部分的高度設計不同航高的思想：對高度相對統一的區域設置相同航高，相同航高的相鄰區域的環繞圓相互重疊;對復雜體型建筑較高的部分則設置更高的航高，讓相機的主光軸始終對準建筑物的中上部，拍攝時的焦點聚焦于中上部，使得采集到的復雜體型建筑物地物上下部分影像的地面分辨率較為均勻．如圖4所示，第1層環繞圓以矮棟建筑物和相機角度為基準，第2層環繞圓高度以建筑物高度差和相機角度為基準，為保證分辨率相同，第3層與第2層高度相同，以此類推，對復雜體型建筑進行分層立體式環繞．此拍攝方案具有多高度、多角度等特點，大大減少了傳統航線方式存在的盲區范圍，因此采集的影像更加全面，為后期的模型效果提供保障．

立體環繞航線方式是以一種環繞拍攝的方法代替傳統的航帶網式航線采集地物影像的方案，可以根據建筑物的特征，設置不同的航高、環繞飛行半徑、航攝儀角度等參數控制獲取影像的地面分辨率、覆蓋范圍等．相對于傳統航線的無人機傾斜攝影從5個角度獲取影像，該方法可以有效消除圖3所示的拍攝盲區．

通過實地勘探，全方位了解建筑物的長、寬、高，以此作為基礎，大致勾勒出建筑物的形狀，計算建筑物相對高度大致相同區域的環繞半徑Rn和航高Hn，計算公式如下：

式中，ln、wn、hn分別為同一高度區域建筑物的長、寬、高，θ為相機傾角．

對于建筑物相對高度不同區域，航高與環繞半徑需分開進行計算，當Hngt;ln時停止計算．

1.4 數據處理

采集的建筑物影像需要處理生成建筑物的實景三維模型，Context Capture軟件自動化程度高、無需人工干預，能夠高精度高效率地完成建模工作．影像間的相對位置通過空中三角計算確定，POS數據求解精確外方位元素與地面坐標，根據密集匹配算法進行點云密集匹配，由匹配到的密集點云生成三維三角網表面模型，并將網格表面進行自動紋理映射，進而得到具有真實視覺效果的可視化實景三維模型．

1.5 模型精細化處理

在影像獲取時，由于照片在空中拍攝，不可避免會出現一些區域存在信息缺失的情況;由于空三加密在大面積水域、光滑路面、玻璃面等區域有較多的粗差點等［16］，使得實景三維模型存在紋理缺失［17］、模糊拉花及瓦片缺失等問題．這些問題若通過不斷增加航拍重疊率解決［4］，不僅花費大量時間，而且會導致數據冗余，模型效果也不會得到很大的改善．因此，需要使用修模軟件對模型進行修飾．本文采用DP-modeler與3ds Max軟件聯動進行模型修復，對模型進行精細化處理．利用3ds Max的曲面造型能力，結合DP-modeler的自動紋理貼圖能力，對建筑物不規則區域進行修飾，進而提高三維建模的精度．聯動模型修復流程如圖5所示．

2 復雜體型建筑物的三維建模實驗

2.1 實驗設備及對象

實景三維建模的實驗對象是某公園內兩棟緊鄰且高矮落差較大的復雜體型建筑物，如圖6所示．通過測量，獲取兩棟建筑物的長寬高分別為4.8 m、4.8 m、21.08 m和16.02 m、16.46 m、11.48 m．其中：較高的一棟呈現細長的立柱狀，其四面均為玻璃;較矮的一棟為立方體狀，其兩面為玻璃，另外兩面為紅色磚和混凝土搭建的墻面．兩建筑物之間相鄰很近，中間僅有一條寬約為3.46 m的縫隙．將兩棟房子近似看作一個長方體整體，其長為24.28 m，寬為16.46 m，高為21.08 m．

無人機選用大疆Phantom 4 PRO V2.0，搭載2 000萬像素的相機，像元大小為2.345 27 μm，焦距為8.534 8 mm，云臺可調節的角度為-90°～30°．航線規劃選用DJI GS Pro軟件，根據地物特征進行航線定制，擁有航拍環繞模式、智能航點模式，可滿足多種場景的需求．

2.2 實驗數據獲取

1）傳統航線的傾斜攝影方式

采用DJI GS Pro軟件進行5架次的航攝方案．由于所拍攝的照片需要完全覆蓋建筑物的信息，將航高設置為25 m，無人機的航向重疊率和旁向重疊率均設置為85％，飛行速度5 m／s，無人機從5個角度進行拍攝，航攝時間39 min，拍攝航片數量562張，如圖7所示．

2）立體環繞航線的傾斜攝影方式

根據所需建模建筑物的實際情況，設置合適的航線參數，如表1所示．無人機的航向重疊率和旁向重疊率均設置為85％，拍攝照片數量313張，飛行時間27 min，飛行速度5 m／s，如圖8所示．同時在研究區內設置8個控制點并測量其坐標．

2.3 實驗結果

數據分別由無人機基于傳統航線與立體環繞航線的傾斜攝影方式獲取，再經數據處理，獲得完整的建筑物三維模型，圖9a、9b、9c分別為基于傳統航線方式采集的影像被處理后生成相應的三維TIN白模模型、三維TIN網構建、三維建模效果，圖10a、10b、10c分別為基于立體環繞航線方式采集的影像被處理后生成相應的三維TIN白模模型、三維TIN網構建、三維建模效果．

對比圖9和圖10可知，立體環繞航線方式三維模型效果圖的紋理細節比傳統航線方式更加豐富．

3 建模效率與質量分析

3.1 三維建模效率

建模效率從圖像數量和數據處理時間兩個方面進行分析，數據處理的計算機環境為CPU（AMD Ryzen 5 3600X）、GPU（2080Super）、內存（16 GB）．無人機三維建模效率分析主要分為外業影像數據采集耗時和內業三維建模耗時，如表2所示．

3.2 模型精度分析

本文對比控制點的實測值與模型量測值進行精度分析．將外業實測的8個控制點量測值與內業在三維模型上的點位誤差進行對比，表達式如下：

式中：μx、μy、μz分別為控制點在x、y、z方向上的點位坐標誤差;μw為整體點位誤差;（xo，yo，zo）為外業測量坐標，（xi，yi，zi）為內業采集坐標;n表示控制點個數．

兩種航線規劃方式在x、y、z方向上的差值如圖11所示，誤差范圍用（均值±標準差）來描述統計結果．基于立體環繞航線與傳統航線方式的三維模型在x軸方向上，點誤差范圍分別是（0.023±0.009） m、（0.046±0.019） m;在y軸方向上，點誤差分別是（0.001±0.012） m、（0.020±0.009） m;在z軸方向上，點誤差分別是（0.012±0.008） m、（0.001±0.014）m．由表3可知：在x軸、z軸方向上立體環繞航線方式的建模方法優于傳統航線;在y軸方向上，傳統航線方式的建模方法要優于立體環繞航線．就整體點誤差而言，立體環繞航線方式的建模方法要優于傳統航線，但兩種建模方法總體誤差較小，在總體精度上相當．兩種采集模式均屬于同一系統，因而具有相同的系統誤差，但由于采集模式不同，不同的數據量以及拍攝角度差異，導致誤差的存在．

3.3 紋理細節對比

選取具有代表性的局部建筑物區域，由圖12可知，基于傳統航線的三維模型具有較多的紋理缺失．對比圖12a和12d，基于傳統航線的三維模型出現墻面漏洞、紋理拉花現象，而基于立體環繞航線的三維模型則能夠完整地展示墻面信息;對比圖12b和12e，由于傳統航線方式飛行高度固定，在屋檐處會存在拍攝盲區，存在較多紋理缺失，而立體環繞航線方式由于能夠多高度地拍攝，有效減少拍攝盲區，故能展示較多地紋理細節;對比圖12c和12f，建筑物的玻璃面反光較強，兩種建模方法都出現鏤空，缺失較多細節．因此，立體環繞航線方式的傾斜攝影建模方法在紋理細節上優于傳統航線方式．

4 實景三維模型精細化處理

由上文可知，基于立體環繞航線方式的三維模型出現了玻璃空洞以及紋理拉花，需要對該區域進行精細化處理．選擇需要修補空洞的范圍并確定待修補的基準面，修補空洞進行紋理映射，并使用3ds Max對紋理細節修飾;出現紋理拉花模糊的地方，使用原始照片、實地補拍照片或其他紋理進行替換，使得房屋側面紋理更加清晰美觀．對立體環繞航線方式的模型中玻璃面空洞部分及墻面紋理拉花部分進行模型精細化處理，模型精細化處理前后對比如圖13所示．

通過對比模型精細化處理前后效果可以看出，在不考慮時間成本的前提下，對三維模型中有瑕疵的部分進行模型精細化處理，可以有效地提高三維模型整體細節質量，使得三維模型更加真實．

5 結束語

本文針對復雜體型建筑物的實景三維建模問題，選用單鏡頭小型多旋翼無人機，提出一種基于立體環繞航線方式的傾斜攝影方法．相對于傳統航線的傾斜攝影方法，立體環繞航線方式的傾斜攝影方法的優點如下：1）采用較少的影像構建精確、完整的三維模型，提高了建模的效率;2）構建的模型精度高，能保證模型的完整性;3）解決了對復雜體型建筑物三維建模時存在攝影盲區和對其紋理細節區域建模效果差的問題;4）有效提高了無人機針對建筑物實景三維建模的效率和質量．此外，對三維模型進行模型修飾處理，解決了模型中紋理缺失、模糊拉花及瓦片缺失等問題，有效提高了三維模型的細節質量和展示效果．

為提高建模精度，在導入Context Capture之前可以先對拍攝的圖像進行預處理，使圖像的色彩、色調一致，對畸變的圖像進行矯正．對于建模效果差的區域，還可以進行重新拍攝圖像進行補充．對復雜體型建筑物使用無人機立體環繞三維建模，在保證建模質量的前提下，還可以對無人機航線規劃以及像控點數量進行進一步優化．

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Route planning of UAV tilt photography for complex buildings

LIU Jiajia1 WEI Qi1

1Institute of Electronic and Electrical Engineering，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307

Abstract To solve the poor modeling performance caused by many blind areas and large difference in image resolution for complex buildings，a 3D surround photography and refined modeling approach is proposed for UAV photography.First，a 3D surround image acquisition route is designed for a small single-lens multi-rotor UAV according to the appearance of complex buildings.Then the acquired images are imported into Context Capture software，which are analyzed and processed for model establishment.Finally，DP-Modeler and 3ds Max are used to modify the model so as to solve the information missing such as lack of texture and fuzzy drawing.The proposed approach is then compared with traditional UAV tilt photography in modeling efficiency，model accuracy and texture details with two adjacent buildings in a park as research object.The results show that the proposed method has the advantages of high modeling efficiency，high precision and rich texture，improves the quality and efficiency of complex building modeling，solves the information missing in image acquisition via combined modification，and significantly improves the quality of model details.

Key words UAV;3D surround;complex buildings;route planning;3D modeling

收稿日期2022-08-17

資助項目中央高?；究蒲袠I務費專項資金（J2023-024）

作者簡介劉佳嘉，女，碩士，副教授，研究方向為航空電子、圖像處理.cafucljj@163.com