基于消費級無人機的小范圍三維實景建模探討

黃有槽

摘要：目前，消費級無人機基本已經普及，除普通拍攝之外，還可以利用其影像采集功能，結合專業軟件建立三維實景模型。本文探討了使用的關鍵技術和合適參數，并進行了實際案例的驗證，為以后類似的工程項目提供借鑒和參考。

關鍵詞：消費級無人機；傾斜攝影測量；三維實景模型

1 概述

傾斜攝影技術是國際測繪領域于2012年發展起來的一項高新技術，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界[1]。傾斜影像技術的引進和應用，使目前高昂的三維建模成本大大降低。縮短了三維數據的制作周期，大幅提供了工作效率。

目前世界上支持多視角影像三維實景建模的軟件有許多，諸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等軟件，其高度自動化和智能化給建模帶來極高的效率。在硬件方面也得到了國內外許多傾斜無人機的支撐，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。軟件和硬件的支持給三維實景建模帶來改革性的變化，推動著三維實景建模飛速發展。

一般專業的搭載五鏡頭的量測無人機適用于大范圍的三維實景建模，但遇到小面積的或者是局部的地物要建模的情況，使用專業無人機不但體現不了高效率，成本反而高。因此本文提出一種利用消費級無人機，如大疆精靈Pro，利用專業軟件進行三維重建的方案，可以靈活、高效、低成本的完成小范圍地物的三維重建。

2 關鍵技術和參數設置

傳統的消費級無人機只能搭載一顆鏡頭進行正射影像，從垂直角度拍攝。而專業的傾斜攝影無人機搭載多臺傳感器，可以同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像。這就要求使用者對消費級無人機的飛行路線和傾斜角度進行合理設置，通過多次多角度飛行，來進行數據采集。因此，對飛手的操控技術和采集技術要求比較高。

2.1無人機拍攝時應該遵循以下原則：

①無人機的圖像格式有JPEG、TIF、RW2、3FR、DNG、NEF、CRW、CR2。

②在整個飛行過程中使用相同的焦距，要有恒定的照明，有限的陰影數據。

③避免模糊照片、閃光燈和光學防抖。

④不能使用數碼變焦和照片手動潤色。

對于簡單對象的采集，有如下關注事項：

①不要反轉或移動對象。

②縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。

③兩張連續照片之間的拍攝夾角不超過15度。

④與對象保持相同的距離。

2.2無人機參數設置

根據擬三維實景建模對象的特點，無人機需要進行如下設置：

①精度估算

三維模型精度P=2×R（m），P=三維模型相對精度，R=對象表明呈現的像素大小。

②飛行路線規劃

D=P/2×f×L/Ls，Ls=傳感器長度（m），D=數碼相機和對象之間的距離（m），f=數碼相機的焦距（m），L=圖像長度（Px），M=地面覆蓋區域大?。╩）

3 三維實景建模實例

本文的實際案例利用消費級無人機大疆精靈Pro，三維實景建模對象為深圳市龍崗區天安數碼新城，區域面積4.8平方公里，主要建構筑物為高層建筑，最高樓110米。

外業通過大疆自帶的飛控軟件，選擇傾斜攝影模式，設置無人機參數如下：影像傳感器1/2.3英寸，CMOS有效像素1240萬，鏡頭FOV94°20mm（35mm格式等效），f/2.8，焦點無窮遠，ISO范圍100～1600，電子快門速度/s8～1/8000，照片尺寸/像素4000×3000，飛行高度120，縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。因無人機電池容量限制，累積飛行了3次，耗時約3個小時，共拍攝照片494張。

內業數據處理采用專用三維建模軟件完成，按照“空三計算、聯合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業流程完成模型的建立，自動生成的三維模型，如下圖所示。

經檢測，基本實現了三維實景效果，可以測量高度、長度、面積和體積等。

4 結語

本文探討了借助最先進的三維實景建模軟件，利用普通消費級無人機，通過正確的關鍵技術和合適參數，進行了實際案例的驗證，為以后類似的項目提供借鑒和參考。由于消費級無人機本人續航和拍攝設備的局限，其建模精度、測繪范圍和續航能力較專業設備差距較大，只能適合小項目、工程局部地物進行三維實景建模，因此，借鑒使用前需對項目有一定的了解和定位。同時，必須使用同一款無人機和相同的參數采集的素材才能成功建模。

參考文獻：

[1] 王偉，黃雯雯，鎮姣. Pictometry傾斜攝影技術及其在三維城市建模中的應用[J].測繪與空間信息，2011（3）：12-14

[2] 周杰.基于傾斜攝影測量技術構建實景三維模型的方法研究[J]. 價值工程，2016，35（25）：232-235.