無人機單鏡頭傾斜攝影測量及三維建模技術方法研究

余章蓉，范鴻潤，朱景輝，羅濟彬，郭乾政

摘 ?要： 無人機傾斜攝影測量技術以其高效、高精度等優勢得到了快速發展。本文以具體項目為例，研究了無人機傾斜攝影測量外業測量工作的儀器設備、作業流程及相關的施測方法，并對外業數據進行處理獲得三維模型的過程及達到的精度進行分析。實驗證明，利用無人機傾斜攝影測量及三維建模，可快速獲得測區的三維數據模型及地形數據等。

關鍵詞： 無人機;傾斜攝影測量;三維建模

中圖分類號： P231 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.012

本文著錄格式：余章蓉，范鴻潤，朱景輝，等. 無人機單鏡頭傾斜攝影測量及三維建模技術方法研究[J]. 軟件，2019，40（12）：5155

Research on UAV Single Lens Tilt Photogrammetry and 3D Modeling Technology

YU Zhang-rong， FAN Hong-run， ZHU Jing-hui， LUO Ji-bin， GUO Qian-zheng

（KunMing University of Science and Technology Oxbridge College）

【Abstract】： The measurement technology of the unmanned aerial vehicle （UAVs） has been developed rapidly with its high efficiency and high precision. Taking a specific project as an example， this paper studies the instrument and equipment， the operation process and the related application method of the measurement of the external industry of the unmanned aerial vehicle， and analyses the process of obtaining the three-dimensional model by processing the data of the external industry and the accuracy of the obtained three-dimensional model. The experimental results show that the three-dimensional data model and the terrain data of the measurement area can be obtained quickly by using the oblique photogrammetry and three-dimensional modeling of the unmanned aerial vehicle.

【Key words】： Unmanned aerial vehicle; Tilt photogrammetry; 3D modeling

0 ?引言

無人機傾斜攝影測量技術，打破了傳統航測遙感影像只能垂直拍攝的限制，能從不同角度對地面數據進行采集，高效的獲取數據，對地面情況進行真實可靠的反映，滿足人們對地面三維信息的需要。目前，無人機傾斜攝影測量技術已開始在生產實踐過程中應用，傾斜影像構建的三維模型已廣泛應用于城市規劃、公共安全、通信、軍事等眾多領域[1-2]。無人機傾斜攝影測量新技術將使測繪行業的作業方式、生產效率及產品使用等產生巨大的改變。

傳統的地圖可視化多采用二維形式，對測量區域的地面點的平面位置有較好的反映。而傾斜攝影測量技術，從多方位、多角度采集地面影像，可以從影像中確定空間地物的位置，還能獲得建構筑物的建筑結構、色彩、紋理等。通過影像可建立實景三維數據模型，使用戶能很直觀的從三維模型上判讀地面情況，同時地物紋理更豐富、效果更逼真。三維地理信息系統比二維地圖更能全面、直觀、真實地反映地物和地形的形狀、紋理和環境信息，從而實現從空中到地面再到地下的數據一體化，是地理信息產品升級的重要發展方向[3]。

本文以具體項目為例，研究了無人機傾斜攝影測量外業測量工作的儀器設備、作業流程及相關的施測方法，并對外業數據進行處理獲得三維模型的過程及達到的精度進行分析。

1 ?研究項目概況及軟硬件情況

1.1 ?項目概況

實驗項目對昆明理工大學津橋學院高新校區進行三維可視化研究，采用的建設步驟為先進行無人機傾斜攝影測量，然后利用Smart3D軟件進行建模，生成三維模型。

本次測區位于昆明高新區，中央子午線經度102°，緯度25°。地塊工整、地勢平坦，地塊整體呈西偏北約25°方向，東西向長約400米，南北向寬

圖1 ?測區分布圖

Fig.1 ?Survey area distribution map

約250米。地塊周邊均為城市市政道路。地塊內最高建筑為西南角的雙子樓，高度約70米。地塊東南方向約90米處有高100米建筑，西南方向約120米處有高100米建筑，周邊其他建筑均為低層及多層建筑。

1.2 ?軟硬件情況

傾斜攝影測量多采用旋翼或固定翼無人機搭載五鏡頭相機進行[3-5]。本項目位于城市建成區域，周邊建筑密集，且是學校，考慮到搭載五鏡頭的無人機一般機型及噪音較大，且飛行費用昂貴，從降低飛行難度、減小對周邊環境的影響及降低費用出發，外業攝影測量采用大疆Mavic Pro2四旋翼無人機+Hasselblad能夠調整姿態的單鏡頭相機為硬件，搭載GPS衛星定位系統及IMU傳感器。單鏡頭相機與常用的五鏡頭相機相比，具有飛行器小、操作簡單，噪音小等優勢，在數據精度上較五鏡頭相機相對低，但實驗證明，通過布設井字形的多條航線及提高航向及旁向重疊度等，最終成果可達到國家相關規范所要求的精度。

內業三維建模采用Smart 3D軟件，它是基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件，無需人工干預，可從簡單連續的影像中生成最逼真的實景真三維精細模型[6]。

表1 ?大疆Mavic Pro2無人機技術參數

Tab.1 ?Technical Parameters of Mavic Pro2 Unmanned Aerial Vehicle in Dajiang

型號 飛行時間 最大續航

里程 最大上升

速度 最大下降

速度 最大水平

飛行速度 最大可

傾斜角 最大飛行

海拔高度 最大可

承受風速

飛行器 Mavic Pro2 21分鐘 10 km 4 m/s 3 m/s 10 m/s 35° 5000 m 5級風

型號 像素 鏡頭視角 鏡頭焦距 光圈 對焦點 照片最大分辨率 圖片格式 支持文件系統

相機 Hasselblad 1200萬像素 85° 24 mm f/2.8 0.5 m至無窮遠 4056×3040 JPG/DNG FAT312

圖2 ?大疆Mavic Pro2無人機

Fig.2 ? Dajiang mavic pro2 UAV

2 ?具體的實施過程

2.1 ?傾斜攝影測量

利用無人機進行外業的傾斜攝影測量，其主要步驟為：

（1）攝影測量方案設計。

對進行傾斜攝影測量的區域進行現場踏勘，了解現場情況，根據現場情況選擇航攝時間，設計航攝路線等[7-9]。

（2）航攝技術參數設定。

地塊建筑主要為多層建筑，高度適中，且建筑密度不高，地塊東南方向約90米處有高100米建筑，西南方向約120米處有高100米建筑，周邊其他建筑均為低層及多層建筑。測量比例尺定為1∶500。為提高精度并滿足空域安全要求，飛行高度設置為130米。傾斜攝影測量航線采用專業軟件設計，航帶布設平行于東西向及南北向，航線數共29條，其中東西向17條，南北向12條，交叉飛行，航線間距30 m，拍照間距20 m。飛機飛行速度設置為10米/秒。為提高航攝精度，航向重疊度和旁向重疊度均設置為85%。

另進行了正射影像測量，航線沿東西向布設13條，航向重疊度及旁向重疊度均設置為80%。航線間距33 m，拍照間距22 m。飛機飛行速度設置為10米/秒。

傾斜影像及正射影像均用于三維建模。

（3）傾斜攝影測量。硬件設備條件允許情況下可搭載POS直接獲取像片中心點坐標，較少像控點數量。飛行時間定在下午2點半開始，起飛點位于地塊中心，即學校的足球場，場地開闊，便于操作及視線良好。

（4）像控測量。選擇分布合理的像片控制點。為提高像控測量的效率和精度，采用GNSS RTK技術進行像控點測量。根據研究區域的范圍及地理特征，布設了8個控制點，其主要分布于測區內部及周邊比較明顯的特征點上。采用GNSS RTK技術測量像控點坐標時，利用昆明市連續運行GPS參考站系統，即采用CORS的方式進行GNSS RTK測量，直接獲取控制點的CGCS2000坐標成果。

圖3 ?傾斜攝影測量航線布設圖

Fig.3 ?Layout of inclined photogrammetry route

圖4 ?正攝航線布設圖

Fig.4 ?Forward route layout

圖5 ?外業測量

Fig.5 ?Field survey

圖6 ?像控點測量

Fig.6 ?Image control point measurement

2.2 ?利用Smart3D進行三維建模

與傳統的手工建模相比，Smart3D建模具有周期短、效率高、費用低、模型效果更真實等特點[9-10]。在外業獲取影像數據后，運用Smart3D軟件進行三維建模。采用Smart 3D軟件進行實體三維建模。建模過程首先建立工程文件，然后倒入影像，設置影像焦距、傳感器大小等參數，導入影像pos信息，提交空三運算。空三運算介紹后查看報告，若每對連接點的誤差小于1像素，則說明空三結果合格。若連接點誤差偏大，則可在進行一次空三運算，進行影像偏差糾正。加入各種輔助數據：攝像頭的屬性（焦距、傳感器尺寸、主點、鏡頭失真），照片位置，照片旋轉度，控制點信息等，輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網絡模型。生成的三維網絡模型能夠準確精細的表現出建模主體的真實色澤、幾何形態及細節構成，從而完成三維模型。

三維建模具體流程如下圖。

圖7 ?Smart3D建模流程圖

Fig.7 ?Smart3D Modeling Flowchart

（1）新建工程

利用Smart3D軟件建模，首先需新建工程 ?文件。新建過程中需主要存放路徑避免出現中文字符。

（2）影像數據導入

導入外業采集的影像數據，可單張導入，也可按文件夾導入。外業數據采集時，已經GPS定位，影像數據已攜帶經度、緯度、高度pos數據。導入完成后，自動生成感應器尺寸、焦距、位置和角元素等信息。完成之后可獲得像點3D視圖如下。

圖8 ?Smart3D新建工程

Fig.8 ?Smart3D new project

圖9 ?導入影像數據及像點視圖

Fig.9 ?Import image data and image point view

（3）像控點輸入

將外業測得的像控點坐標數據輸入到Smart3D軟件中，以便后期建立的三維模型具有實際的坐標位置。

（4）提交空中三角測量

（根據像控數據，引入影像數據，在室內進行控制點加密，并求得加密點的平面位置和高程。最終確定整個測區的定位，從而獲得測區內任意點的絕對位置。）空中三角測量在Smart3D軟件環境下進行，該軟件可自動進行空三加密，計算出每張影像的位置、姿態角等信息以及確定影像間的相對位置關系。

（5）重新構建模型

空三運算完成后，可進行三維模型重建。Smart 3D軟件自動化程度高，按要求輸入相關參數并生成結果即得到瀏覽式三維模型、點云格式及可修飾的三維模型等。

2.3 ?利用清華三維EPS生成數字線劃圖

完成三維建模后，利用清華三維EPS軟件，采集項目范圍內的地物、地貌的特征點，經過圖形加工，最終生成1∶500數字線劃圖。

2.4 ?成果數據精度分析

對生成的1∶500數字線劃圖與已有的1∶500地形圖成果數據進行了比對，共設置檢測點48個，檢測點主要設置在建筑拐點，花臺拐點等位置明確的地區特征點上[11-13]，經比對坐標，各點的平面點位中誤差在0.30 m范圍內，整體平面中誤差為0.21 m。《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T9015- 2012）對1∶500三維模型的精度要求為平面0.3 m;《國家基本比例尺地圖1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖》（GB/T33176-2016）對1∶500地形圖平面精度要求為平地0.3 m、山地0.4 m，可見，實驗數據在平面位置上滿足相關規范的要求。

圖10 ?三維模型成果

Fig.10 ?3D model results

圖11 ?數字線劃圖

Fig.11 ?Dlg， digital line graphic

3 ?作業過程中相關注意事項分析

3.1 ?外業測量需要注意的事項：

拍攝前需進行影像質量及飛行質量檢查，檢查的主要內容為：影像清晰度、色調及反差等，飛行質量檢查主要內容為：相機鏡頭、曝光時間、航攝視角，航向及旁向重疊度、航攝環境條件等[14]。

像控點應選擇在目標明顯的特征點上，一般 選擇道路的交叉點、路標的交叉點等。需注意以下問題：

（1）注意控制點是否會被遮蓋，比如陰影處、房角、圍墻等容易被遮擋的地方不宜選用控制點。

（2）主要目標與地面有明顯的色差，容易分辨。

（3）影像邊緣部分清晰度差，像控點不宜布設在測區邊緣。

3.2 ?內業三維建模過程需要主要事項

內業三維建模完成后，一般會存在建筑頂面模型放大后小細節會出現扭曲、拉花等現象。地面植被存在與其他地物粘連、懸浮等現象[15-16]。在內業處理過程中，需注意一下問題：

（1）影像數據需進行預處理

需對影像進行勻光勻色、畸變差改正及POS數據整理。剔除無POS記錄和有飛機明顯掉頭轉彎的影像數據，并確保影像和數據有很好的匹配關系。

（2）自動建模時，若數據量大于電腦內存，需進行分區處理。

（3）注意數據組織及存儲。數據文件的存儲、組織需符合技術設計要求，數據文件格式及命名需滿足軟件要求，數據文件的完整性需進行注意等。

（4）建模完成后，需對模型完整性進行檢查。重點檢查建筑主體是否存在模型多余、遺漏等情況，模型扭曲情況及紋理變形情況等。檢查場景是否完整，如水面是否存在漏洞、場景是否有接邊錯誤等。

4 ?結束語

無人機傾斜攝影測量作為新的測繪技術方法及手段，以其高性價比、精度高、便捷高效等優勢得到了快速發展。攝影測量數據經Smast3D等專業處理軟件建模獲得直觀性強、效果好的成果數據，經過加工可獲得數字線劃圖、三維實景模型等。

本文主要介紹傾斜攝影測量及三維建模的外業測量操作流程及內業數據處理的技術方法等，并對獲得的數據成果質量進行了一定的分析，通過實例進行了演示及分析論證，以期對無人機傾斜攝影測量及三維建模的作業流程、技術方法及質量研究等提供一定的技術參考。

參考文獻

[1]邱春霞， 董乾坤， 劉明. 傾斜影像的三維模型構建與模型優化[J]. 測繪通報， 2017（5）： 31-35.

[2]閆東， 周乃恩. 彩虹無人機系列應用及展望[J]. 軟件， 2018， 39（9）： 117-122.

[3]孫杰， 謝文寒， 白瑞杰. 無人機傾斜攝影技術研究與應用[J/OL]. 測繪科學. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4415.p. 20190412.0933.004.html

[4]畢凱， 趙俊霞， 丁曉波， 劉飛. 傾斜航空攝影技術設計與成果質量檢驗[J]. 測繪通報， 2017（4）： 71-76.

[5]關麗， 丁燕杰， 張輝， 等. 面向數字城市建設的三維建模關鍵技術研究與應用[J]. 測繪通報， 2017， （2）： 90-94.

[6]薄正權， 張宇. 傾斜攝影在長春市城市建模中的應用[J]. 城市勘測， 2016， （3）： 93-96.

[7]張畢祥. 基于傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的研究[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 146-151.

[8]李威， 李國柱. 基于傾斜攝影測量技術測繪地籍圖的可行性研究[J]. 軟件， 2018， 39（12）： 181-186.

[9]梁靜， 李永利， 戴曉琴， 等. 基于無人機傾斜影像的數字校園三維重建[J]. 測繪與空間地理信息， 2018， （8）： 139， 141， 145.

[10]熊強， 王雙亭， 王曉宇， 等. 基于Smart3D的傾斜攝影測量模擬系統三維建模[J]. 測繪工程， 2018， （7）： 55-59.

[11]數字航空攝影測量空中三角測量規范： GB/T23236-2009[S]. 北京： 中國標準出版社， 2009.

[12]劉增良， 陳思， 陳品祥. 城市傾斜攝影實景三維模型數據質量檢查方法研究與實踐[J]. 測繪通報， 2019， （2）： 108-112.

[13]柏宏強， 夏永華， 李澤邦， 等. 高海拔山區像控點分布對測量精度的影響分析[J]. 軟件， 2018第39卷第9期： 144-148.

[14]張數， 楊德宏. 數字近景攝影測量的二維影像三維建模的關鍵技術應用[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 133-138.

[15]艾嘉豪， 朱大明. 無人機傾斜攝影測量在三維建模中的應用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 192-195.

[16]王丙濤， 王繼. 基于傾斜攝影技術的三維建模生產與質量分析[J]. 城市勘測， 2015， （5）： 80-82.