基于無人機影像的三維模型構建技術

李隆方，張著豪，鄧曉麗，馬 磊

（1.德陽市勘察測繪設計院，四川 德陽 618000；2.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210093）

隨著城市社會經濟發展，傳統二維數據已不能滿足各部門日常工作需要，迫切需要更為全面的城市三維數據［1］。三維數據可視化已成為當今城市基礎建設、規劃、環境保護、交通和通訊等方面的重要環節，是當前數字城市的重要表現手段［2］，也是當今智慧城市發展的重要基礎數據設施。由于四川盆地常年多云多雨，導致大部分衛星影像被雨云遮擋，無法準確觀測特定時期的特定地區，而無人機低空遙感系統具有很高的機動性、靈活性和安全性，可獲取多角度、高分辨率影像，不受高度限制和陰云天氣影響，且系統成本及影像處理費用較低［3］。

本文以四川德陽市為例，針對當前城市三維模型構建中的問題，提出了一種基于無人機影像的快速三維模型構建技術，并應用于德陽市三維模型構建。

1 3DCM的研究現狀

3DCM（三維城市模型）作為當前城市空間數據基礎設施的重要內容，是一項投資巨大、技術要求復雜的工程，其技術水平是影響三維城市模型建設與更新工作效率的重要制約因素。如何提高三維城市模型數據獲取的自動化水平成為三維城市模型應用的瓶頸問題［4］。當前三維城市模型的數據源主要有遙感影像數據、近景數據和GIS導出數據。不同數據對應不同的三維城市建模方法，主要包括：

1）基于二維GIS的三維城市建模方法。通過現有GIS成果庫，利用地形數據內插DEM，以及豐富的地物要素快速從二維城市GIS數據轉換到三維城市模型［5］。

2）基于激光掃描的三維城市建模方法。這種方法主要通過機載激光雷達采集地面點坐標，通過數據后處理分離地面點與地物點重構地面三維模型，優點在于不用采集過多控制點，高程精度較高，但對地面紋理獲取不足。

3）基于攝影測量的三維城市建模方法，它使得同時獲取大量復雜的三維城市模型的幾何信息和紋理信息的自動化成為可能，特別隨著近年來高分辨率遙感技術和計算機圖形圖像處理技術的發展，數字攝影測量被普遍認為是當前最適用于獲取大范圍高精度三維城市模型數據的主要手段［6］。目前，基于衛星和航空影像數據，利用傳統全數字攝影測量系統（LPS、VirtuoZo等）的城市建模技術已經成熟，本文基于此思路，針對無人機影像數據提出了一套基于低空影像數據的城市三維模型的構建方法。

2 無人機數據采集與處理

2.1 低空影像采集設計方案

1）德陽市是中國重大技術裝備制造業基地，位于四川盆地成都平原東北邊緣，研究區域包括市區全域以及近郊部分區域近400km2范圍，其中1/3為丘陵，2/3為平原。基于無人機低空影像采集平臺（見圖1），搭載Canon EOS 5DMark II相機，設計航高750m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，相機焦距24.598 8mm，單張影像像素數5 616×3 744，像素尺寸0.006 4mm×0.006 4mm。

圖1 無人機數據采集平臺

2）控制點采集。根據經驗，無人機控制點布設原則一般以航帶內5張影像間隔一個控制點為宜，航帶間需隔一條航帶布設一個控制點，并在其中均勻布設檢查點，如圖2所示。像控點應選取影像位置清晰、易于判別，與周圍地物顏色反差較大，特征明顯的地物點，選點均以地面、較堅固、且不易改變的目標為主。

圖2 部分測區控制點布設示例

2.2 影像處理

相對傳統大飛機影像數據采集平臺，無人機平臺飛行姿態更加不平穩，受風速、風向等影響更大，傳統數字攝影測量系統處理無人機影像數據的限制較多，為了提高數據處理速度與精度，選擇DPGRID低空影像數據處理平臺作為該項目的數字高程模型與數字正攝影像生產平臺。該平臺采用改進的影像匹配算法，實現自動空三、DEM與正射影像自動生成，自動化程度大大提高。主要處理飛艇、無人直升機、無人固定翼飛機等低空遙感平臺獲取的低空遙感影像。其主要處理流程如圖3所示。

圖3 無人機影像數據處理流程

根據以上流程，首先通過POS數據選取航帶內影像，剔除非航帶內影像（無人機上升過程中拍攝的影像），利用DPGRID低空模塊對影像數據進行畸變糾正、排列航帶、旋轉影像等，使得影像數據按順序排列；隨后基于該模塊進行影像自動匹配、提取特征點；添加外業采集的控制點，進行空三加密，反復平差，直到達到無人機內業精度要求為止［7］。最后進行勻光勻色、影像鑲嵌等后處理，生成DEM和DOM。特別是，無人機影像飛行高度低，受地形起伏影響明顯。在城區，一般房高都在6層以上，且隨著城市發展，高層建筑（一般20層以上）不斷增加，這種影響越加嚴重。對于飛行高度750m（甚至更低）的無人機影像，直接生產的城區DEM是不準確的，不能正確反映地面高程，故需大量的DEM編輯工作，如圖4所示。

圖4 DEM與DOM編輯

3 城市三維模型構建

圖5展示了通過攝影測量同時獲取的DEM和DOM構建三維模型和采用地形數據內插DEM與攝影測量生產的DOM疊合構建三維模型，并與相關專題數據合成的技術流程。在德陽市城區三維建模實際生產過程中，由于擁有較完善數字德陽地形成果數據，故首先考慮利用地形數據內插DEM，與無人機DOM疊合構建三維地形模型，但是二者坐標系并不統一（前者為西安80坐標系，后者為德陽地方坐標系），坐標匹配較困難。

圖5 基于無人機影像的城市三維集成技術流程

在DOM生產過程中，首先需要生產DEM，二者坐標系統一，所以采用攝影測量獲取的DEM與DOM構建城市三維模型是較快捷的方法。

這里，我們選擇Skyline TerraSuit來搭建和展示整個三維場景。它具有靈活、簡便的建模工具，穩定的軟件功能以及組件化的軟件體系，是獨立于硬件之外，多平臺、多功能的一套軟件系統。它包含3類產品：TerraBuilder，創建三維地形數據庫；TerraExplorer Pro，添加場景；TerraGate，允許用戶通過網絡發布三維數據［8－9］。步驟如下：

1）三維地表模型構建。三維地表模型主要包括DEM和DOM，通過在TerraBuilder中疊合DEM與DOM，并生成Skyline自帶的三維數據格式（mpt），它支持三維數據的無級縮放，能夠高效地展示三維數據模型。如圖6所示。

圖6 基于Skyline的三維模型成果示例

2）三維建筑物模型建立。這里有兩種選擇，一是通過建模軟件（3DMAX、SketchUp）逐個構建地上建筑物模型，然后分批在TerraExplorer Pro平臺中導入建成建筑物模型。另一種即根據影像數據，在VirtuoZo平臺下通過立體測圖人工測繪地上建筑物，并導出模型，最終導入TerraExplorer Pro平臺。前者多用于地上建筑物等的精細建模，例如城市地標建筑物，但是它的成本較高，不利于批量生產；后者適用于快速批量生產，且模型精度較高，但是對于建筑物的紋理表現不如后者清晰。對于德陽市三維模型構建，選擇兩者結合的方式，部分精細建模，批量生產城市地上建筑物模型，搭建城市三維模型。

圖7、圖8展示了利用VirtuoZoNT3.75批量生產建筑物矢量圖形，并在此基礎上批量生產城市建筑物三維模型的過程。其基本原理為，批量采集屋頂高程并生成建筑物頂矢量圖形，計算其與DEM的高程差，從而生成建筑物的立體模型，并采集影像上該建筑物的側面紋理進行側面貼圖。

圖7 建筑物矢量圖

圖8 建筑物三維圖

3）集成專題數據。通過TerraExplorer Pro平臺不僅可以高速瀏覽海量MPT格式的三維數據（見圖9），也可以在城市三維模型上疊加相關專題矢量數據，例如，加載城市規劃道路紅線，用于城市拆遷分析；添加規劃方案，對比方案與周邊地物是否協調；構建城市地下三維管網，立體展示城市地下狀態。

圖9 三維模型集成展示

4）三維集成與發布。為了有效并安全地利用三維數據，搭建分布式的數據集成環境是必要的，其關鍵技術是三維數據的共享。Terrabuilder提供了海量三維數據的發布環境，其基本原理如圖10所示。

圖10 三維模型發布流程

4 DEM誤差分析

為研究無人機影像生成的DEM的可用性，這里截取全區域中丘陵區域18km2的無人機DEM與通過地形圖生成的DEM作對比分析，其網格數為801×1201，其中無人機DEM高程范圍為478～654m，如圖11（b）所示；地形圖生成的參照DEM高程范圍為481～653m，如圖11（a）所示。首先將兩幅tif格式的DEM柵格數據輸出為txt格式文件，基于Matlab7.0實現兩者對應像元高程差值分析，生成一幅高程差值圖，其最小差值為－17.2m，最大差值為16m，均值為1.6341m，標準差為2.815 4m，如圖11（c）所示。淺色區域高程值大，深色區域高程值小。其統計直方圖如圖11（d）所示。

圖11 DEM差值統計

5 結 論

1）利用0.2m無人機高分辨率影像數據，基于DPGRID低空模塊生產德陽市400km2DOM與DEM，采用Skyline平臺集成DOM與DEM，獲取了該區域地表三維模型。為基于無人機快速建立三維地表模型積累寶貴經驗。

2）在VirtuoZoNT3.75和Dibud平臺支持下，基于多張傾斜攝影的無人機影像自動提取建筑物表面紋理，從而避免大量的實地考察工作量，降低工作強度，提高作業效率，更重要的是實現建筑物三維重建的真實紋理。

3）分析典型丘陵地區，比較無人機生產的DEM和參考DEM的誤差情況，為讀者利用無人機DEM建立三維地表模型提供可靠性參考。

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