起伏地形下基于無人機傾斜攝影的校園三維實景精細模型建立

摘" 要：無人機傾斜攝影構建的三維模型具有真實、不受模型形狀和地形地貌的限制、生成速度快等優點。該文以北華大學東校區為例，采用基于五鏡頭的無人機航空傾斜攝影技術對地形高低起伏的校園進行三維實景精細模型的構建，并進行精度評定。此模型可以輸出建筑物頂面和立面的數據及各個建筑物的具體位置，同時具備測距、定位等地圖基礎功能。后續可基于此校園三維實景模型進行二次開發，建立數字校園三維可視化平臺，為智慧校園的建設提供底層數據支撐。

關鍵詞：起伏地形；無人機；傾斜攝影；三維建模；精度評定

中圖分類號：TU198.2" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0046-04

Abstract： The three-dimensional （3D） model constructed by UAV oblique photography has the advantages of being real， not limited by model shape and topography， and fast generation speed. In this paper， taking the East Campus of Beihua University as an example， the UAV aerial oblique photography technology based on five lenses is used to construct a three-dimensional fine model of the undulating campus， and the accuracy is evaluated. This model can output the data of the top and facade of the building， as well as the specific location of each building， and has the basic map functions such as ranging and positioning. Subsequently， we can carry on the secondary development based on this campus 3D real scene model， establish the digital campus 3D visualization platform， and provide the underlying data support for the construction of the intelligent campus.

Keywords： undulating terrain; UAV; oblique photography; three-dimensional （3D） modeling; accuracy evaluation

隨著人工智能、云計算、大數據和虛擬現實等高新技術在各所高校中的廣泛應用，在高校信息化發展的過程中智慧校園的建設已經成為其重要組成部分[1]。而在學校里開展教學、實踐活動以及師生的課余生活都離不開各種建筑設施，因此高精度的校園地理信息，即校園的三維實景精細模型是建設智慧校園的底層支撐平臺。而三維模型的完整度、精確度、真實性、建模成本和速度都是決定成果質量的重要因素[2]。以往在建立三維模型的時候，通常是依據設計規劃圖紙或拍攝的圖像，使用3DMax等常規的建模軟件，再輸入人工測量的平面和高程坐標信息來完成[3]。但是這種建模方式的成本高、效率低，易受地形地貌等因素的影響，無法精確地、真實地反映測區的實際情況，并不適合復雜三維模型的建立。與傳統方法相比，無人機傾斜攝影可以設置不同的方向對待測目標進行圖像的獲取，這樣可以高效、不受地形限制、多角度地收集建筑物頂面、側面的高分辨率紋理等信息來進行三維實景模型的建立[4-5]。它主要依賴于掛載的傾斜載荷模塊，即高分辨率的多鏡頭相機，累計像素超過一億，可以獲得高質量的攝影圖像。為了多角度的拍攝，傾斜攝影選擇正面、左側、右側、前方和后方共5個方向進行圖像采集，每個方向需要一個相機鏡頭，因此共需要搭載5個鏡頭，以此獲取各種建筑物的紋理信息，再將其導入相應的軟件，最終建立完整的三維模型[6-7]。它突破了傳統航測只拍攝下視影像的局限，是對航測理論與實踐的革命性創新。利用傾斜攝影技術，可以從影像中提取地物空間位置、建筑結構、色彩與紋理等信息，能夠直觀地從三維模型上判讀河流、湖泊、山川、道路和建筑物等地物和地貌，實景三維建模是傾斜攝影最重要的應用方向。伴隨著無人機技術的不斷發展，傾斜攝影建模技術被廣泛地應用在數字城市建設、地籍測量、礦山監測、地形圖測繪和古建筑保護等領域[8-10]。但是其中測量區域的地形多數是近于水平的，對起伏地形下的傾斜攝影三維建模的研究則比較少見。而且起伏地形下三維模型的精度也需要進一步的驗證。

本文以北華大學東校區為例，使用掛載5個鏡頭的無人機進行傾斜攝影測量，建立了地形高低起伏的校園三維實景精細模型，并對模型的精度進行了評定。此模型細節清晰、紋理真實、生成速度快，具有定位、測距、測量面積和周長、土石方量計算及方位角測量等功能。后續可基于此模型進行二次開發，建立智慧校園三維可視化平臺，為智慧校園的建設提供底層數據支撐，對高校的管理和決策都有著重要的意義。

1" 傾斜攝影三維建模基本原理

傾斜攝影測量三維建模以傾斜影像為數據源，集成傾斜影像與下視影像數據進行平差計算，構建三維環境，可彌補單一視角數據遮擋、紋理不豐富、多余觀測不足等局限。實景三維建模的關鍵技術有數據預處理、傾斜影像區域網聯合平差、點云密集匹配、不規則三角網構建、紋理映射及三維建模等。其中，關鍵點是傾斜影像聯合平差、紋理映射和實景三維模型自動構建。實景三維模型讓用戶可以從不同角度瀏覽同一地物，可真實地表達地物周邊環境。由于傾斜攝影實現了多個角度觀測，同一地物在影像中存在上百次的多余觀測，紋理豐富，通過計算機算法實現紋理的智能提取與映射，能夠大大提高三維建模的效率。與傳統三維建模相比，傾斜攝影三維建模目視效果更逼真。

2" 傾斜攝影三維模型建立

2.1" 測區概況

本研究選擇的測區為北華大學東校區，坐落在吉林省吉林市豐滿區， 東經126°61′，北緯43°84′。校區占地面積為0.52 km2，建筑面積為0.39 km2，平均海拔約340 m。校園內的地物主要為教學樓、宿舍樓、食堂、道路、操場、花壇、草地、山坡和水系等。測區西側臨近松花江，從地形上來看，整個校園均處于河流階地之上。因此，校園內部地勢高低起伏較大，西側低，東側高，最高處與最低處的高差最大可達55 m。傳統的人工測圖實施難度較大，成本較高，測量精度也有待提高。因此采用無人機傾斜攝影技術對校園進行三維建模是更合適的。

2.2" 無人機傾斜影像數據采集

本次測量選用的飛行平臺是中海達專業級多旋翼無人機，它掛載的是微型傾斜相機，如圖1所示，詳細參數見表1。其機身采用碳纖維一體模具成型，可防塵防雨，整機抗電磁干擾設計，適應能力強，機臂采用插拔式快拆結構，方便使用和維護。輕量化的機身、任務載荷設計和空氣動力學設計使其擁有高效率的動力系統。微型傾斜相機集成了1個垂直和4個傾斜共5個鏡頭，適用于電動多軸無人機執行小范圍、高分辨率的傾斜航空攝影任務。此無人機支持全地形、航向、高度、起降智能調整，具有精準懸停、勻速巡航、航線規劃、低電壓自動保護和信號丟失保護等功能。

首先對測區進行了詳細踏勘，統計測區內建筑物的高程信息。從而進行航線的規劃設計，確定航空測量的方案。使用iFly智能航測助手根據航飛參數對航線進行設計，如圖2所示。采用多旋翼無人機進行飛行采集，測區面積約為0.5 km2，飛行高度為120 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，在一個曝光點獲得5個方位的航片。垂直地面角度拍攝獲取的是垂直向下的一組影像，稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的4組影像分別指向東南西北，稱為斜片。在建立建筑物表面模型的過程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優點，因為它能提供更好的視角去觀察建筑物側面。當無人機飛到預設位置的時候，飛控系統會把觸發信號同時發送給掛載的5個相機，使它們同時開始拍照。以此得到的傾斜影像數據包括相機的參數數據、照片數據和POS數據。

與此同時，進行地面像控點數據的采集。設置10個控制點作為模型精度的驗證點。主要采用區域網布點的方式，遵循空中三角測量精度準則來布設地面像控點。在校園實地使用RTK進行測量定位，每個像控點測3次取平均值，獲取其平面和高程的坐標信息。

2.3" 圖像預處理

在利用無人機進行傾斜攝影測量的過程中，采用非量測型的單反相機進行拍攝，其鏡頭畸變較大，照片邊緣變形明顯，造成像點、物點不滿足三點共線條件，影響空三加密和三維模型建立的精度。可見需對其進行預處理，這樣有利于減小測量誤差。首先要看經過無人機傾斜攝影得到的航片有沒有曝光過度、色差明顯、圖像缺失等問題。如果有異常，則需要做圖像增強、平衡色差或補充拍攝等調整，處理后的數據應保證整個測區整體色調一致，且單張航片不偏色。同時，需要將影像和POS數據在相應的框架下進行匹配，使得2種數據之間產生映射鏈接。將采集的相同測區的POS數據按照時間順序整理到同一文件上，為后期數據處理和三維實景模型的建立打好基礎。

2.4" 校園三維模型構建

1）導入數據。首先將航拍影像、像控點坐標信息和POS 數據加入到對應軟件的文件夾中。其次在航拍影像中導入POS數據。當航片中加入POS數據后，建立一個新的工程，放入航拍影像，同時輸入焦距、像素、尺寸等參數。

2）空三加密。此過程直接決定著所建立的三維模型的精度和真實程度。首先在航片中選取特征點，并在軟件中進行同名點匹配，再根據相互間的匹配關系反推出航片的位置信息和姿態。然后評估無人機航拍影像的質量，如果有個別的圖片質量不符合要求，要及時刪除。如果有些區域出現部分像片不入網及空三模型錯誤的情況，可通過在錯誤區域周邊添加控制點或連接點的方式解決。

3）導入像控點。基于已經解得到的航片的位置信息和姿態，像控點和航片會產生一定的關聯，因此將像控點導入到軟件中時，可以自動、即時地在航片中進行定位，提高三維建模的效率和精度。

4）三維模型的建立。通過空三加密可以生成不規則三角網TIN，以此建立三維的空白模型。此時的模型并不完整，還缺少貼圖。考慮到影像都包含位置信息，因此可以將此位置信息作為媒介，使得影像可以定向地粘貼在對應的三維空白模型的表面，達到讓紋理自動映射的目的。本研究利用Bentley公司的ContextCapture軟件首先將測量網格劃分成塊，然后建立基于TIN網的空白模型，使得紋理自動映射。在建立建筑物表面模型的過程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優點，因為它能提供更好的視角去觀察建筑物側面，這一特點正好滿足了建筑物表面紋理生成的需要。最后輸出目標測量區域的三維高分辨率實景精細模型，此模型可以按任意視角輸出，如圖3所示。其主要功能包括輸出模型內部任意點位的三維坐標；測量任意兩點間的水平距離、傾斜距離和高差；測量任意區域的面積和周長；土石方量計算及方位角測量等。此模型具有細節清晰、紋理真實、生成速度快及適用于起伏地形等特點。

2.5" 模型精度評定

為了能夠更準確地評價建立的三維模型的精度（表2），在三維模型中和校園實地選擇了10個精度檢查點。首先在模型中導出這些檢查點的平面和高程的坐標信息。其次，導出在校園實地使用RTK進行測量定位而得到的像控點的平面和高程的坐標信息。最后，使用以下公式計算成果數據誤差。可見三維模型的成果誤差都不超過0.05 m。此數據符合三維地理信息模型生產規范中對于三維模型的成果誤差不超過0.2 m的精度要求。

3" 結論

本文采用基于五鏡頭相機的中海達iFly D6無人機采集了北華大學東校區的影像數據，在校園實地使用RTK對像控點進行測量定位，獲取其平面和高程的坐標信息，再將無人機導出的POS數據經過Context Capture軟件處理后，建立了高分辨率的校園三維實景精細模型。同時也表明了此建模技術適用于起伏地形條件。通過誤差計算得到模型的成果誤差都不超過0.05 m，可見三維建模的精度較高。后續可基于此模型進行二次開發，為學校的招生宣傳、規劃設計、施工改建、樓宇信息管理等工作提供支持，助力智慧校園的建設。然而，在實際航測的過程中，無人機的穩定性易受天氣、風速、溫度的影響，電池的續航時間也有待增加。相信隨著無人機傾斜攝影技術的不斷發展，三維模型的精度和建模的效率都會得到進一步提升。

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