單鏡頭傾斜攝影技術低成本三維建模

段宗恩，張海生

(貴州省第一測繪院，貴州 貴陽 550004)

1 引 言

實景三維模型是城市空間信息的重要表達方式，對城市規劃、建設、管理、應急響應有重要作用。傳統三維城市建模工作的速度、效率及時效性難以滿足三維城市的應用[1]。

相對于傳統實景三維建模，利用無人機搭載光學鏡頭進行傾斜攝影快速生成三維模型的作業方法更高效，成本更低。傾斜攝影三維建模已經成為獲取三維模型數據的重要手段[2]。目前市場上主流的傾斜攝影方案多以五相機、雙相機方案為主，通常相機模塊價格比較昂貴，多鏡頭相機要求多旋翼無人機具有超高穩定性和續航能力。相比之下，單相機傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項目中更具有優勢[3，4]。

實景三維模型成果除了能用于大比例尺成圖以外還能用于 1∶500地籍調查、不動產登記確權、地質災害分析、公安應急消防、智慧城市、帶狀公路規劃設計，城區改造、文物保護等[5～8]。

2 實驗區地理概況

試驗區位于貴州省貴陽市花溪區，海拔 1 106 m～1 134 m，試驗區內主要為學校等建筑及相間綠化帶，面積約為 1 km2。

3 三維實景建模

3.1 單鏡頭傾斜攝影系統

單鏡頭傾斜攝影系統采取“井”字形的航飛作業辦法，鏡頭朝向一個角度，采取密集航線，“井”字交叉飛行采集數據。該系統能快速、有效地獲取地物的影像及紋理特征，借助數據處理軟件，快速實現三維建模。本次試驗采用某品牌智能航測系統D1000。

系統固定翼無人機重量 1.38 kg，軸距 350 mm，最大上升速度 6 m/s，定位模式最大飛行速度 50 km/h，抗風速 10 m/s，最大航時 30 min。云臺角度控制精度 ±0.02°。系統采用DJI FC6310型號相機，f/2.8-f/11帶自動對焦，焦距 35 mm，2000萬像素。本次航飛航向重疊、旁向重疊80%，飛行高度 110 m，地面分辨率 3 cm。

3.2 無人機管家軟件

無人機管家是一款優秀的飛行控制軟件，集中了智能航線、智能飛行、智能檢圖、智能拼圖、智能監控、維修保養等多個模塊。從航線規劃到飛行控制、從圖像預處理到一鍵拼圖，從云端數據共享到維修保養，無人機管家軟件為用戶提供一站式航測服務，無人機管家航線規劃界面如圖1所示。

圖1 無人機管家航線規劃界面

3.3 技術路線

單鏡頭多視角傾斜攝影航線不同于一般多鏡頭傾斜攝影，采取“井”字形的航飛作業，因此對航線設計提出更高要求。得益于智能航線規劃軟件，生產作業中只需對地面分辨率、重疊度、相對行高關鍵參數進行設置，即可實現航線規劃。

多視立體視覺算法密集匹配也是傾斜攝影三維建模中的關鍵技術。傳統基于灰度和特征的匹配方法難以獲取滿足建模需要的同名點，基于多視立體視覺算法(PMVS)和運動結構恢復算法(SFM)自動匹配連接點，可以得到高精度和高密度的點云數據，是實現精細三維建模的關鍵流程。

單鏡頭多視角傾斜攝影技術實景建模步驟如圖2所示：

圖2 單鏡頭多視角傾斜攝影技術實景建模方法流程圖

3.4 三維建模結果

將原始數據導入Smart3D Capture軟件，基于多視立體視覺算法(PMVS)和運動結構恢復算法(SFM)自動匹配連接點。野外像控刺點后，經過三角網構面，紋理映射，模型修補，生成實景三維模型。圖3～圖6為軟件中三維模型截圖。圖6模型細節完整，未見扭曲拉花粘連情況，建筑外墻面平整，外墻樓名清晰。

圖3 白膜

圖4 三角網

圖5 三維模型

圖6 模型細節

三維建模技術在數字城市建設、城市應急管理、地形測量、不動產測繪項目中有廣泛的應用。傾斜攝影三維建模最終成果是高精度、可測量的，可裸眼實現地形測量。三維模型多視角測量在不動產測量中比傳統攝影測量更為高效，直接量測建筑外圍墻壁，省去傳統屋檐改正步驟，提高作業效率。

4 精度檢驗

針對模型成果精度檢驗，選取6個分布均勻的檢查點，野外實地坐標與模型坐標對照如表1所示：

檢查點精度對比表 表1

檢驗結果各地物特征點△X最大值 0.09 m，△Y最大值 0.09 m，△H最大值 0.08 m。滿足大比例尺測圖實際需求。在不動產測繪項目中，模型精度可以滿足作業生產。

5 結 語

西南云貴山區，地形起伏大，植被覆蓋率高，增加了航空攝影測量工作難度。與傳統五鏡頭或兩鏡頭傾斜攝影相比，單相機傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項目中更具有優勢。本文以實際試驗數據表明單相機傾斜攝影方案確實可行，在小范圍、低成本、工期短、精度要求高的實景建模項目中具有較好的實際應用效果。