基于無人機傾斜攝影測量技術的三維校園建模＊

鄒娟茹，孫興華

基于無人機傾斜攝影測量技術的三維校園建模＊

鄒娟茹1，孫興華2

（1. 楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100；2. 陜西省公路勘察設計研究院，陜西 西安 710068）

傳統的三維建模手工編輯工作量大，建筑物貼面紋理依靠人工地面拍攝影像，屬于勞動密集型效率低下的作業方式，嚴重制約著智慧城市建設的效率。多視傾斜影像三維建模技術的出現，能夠實現360°環繞無死角拍攝，突破了航空影像豎直攝影無法獲取建筑物側面紋理的局限，為市區三維建模提供了更豐富的地理信息。同時，基于傾斜攝影測量技術的地理場景三維建模技術具有高效、精確、目標遮擋小等優點，現已成為三維地理信息獲取采集的重要技術手段。重點論述了如何利用無人機傾斜攝影測技術實現楊凌職業技術學院南校區真實三維模型的構建，并且如何精細化建模，使得模型的細節更為真實。

無人機；傾斜攝影測量技術；三維校園；建模方法

自動化三維建模是構建智慧校園平臺的關鍵技術，同時也是智慧城市發展的重要基礎部分。高校非常有必要更新教學內容，緊跟行業的技術前沿。因此，以楊凌職業技術學院南校區為研究對象，采用華測P550六旋翼無人機對校區做低空傾斜攝影測量。獲取數據之后，通過CC（Context Capture）軟件內業數據處理、空三解算，建立校區三維模型。之后對于模型做精細化處理，做一系列的修測修正，得到校區高質量的三維實景模型，為教學獲取了經驗與一手數據，開發了新的實驗項目，達到提高教師與學生的實踐操作水平的目的。

1 三維校園建設的意義

三維校園相對于平面二維校園展示，更加直觀、逼真，可以實現多方位、多角度漫瀏覽校園景色，展示校園形象和文化。通過三維交互功能實現自主漫游，使用戶產生一種身臨其境的感覺。添加樓宇相關屬性信息，可以直觀地獲取各個建筑物的功用，對于招生宣傳、新生入學初識校園均起到便捷、準確、快速高效的引導作用。

2 三維校園建設技術路線

三維建模的方法五花八門，目前最為熱門的方法是BIM和傾斜攝影測量。BIM全稱是建筑物信息模型，主要解決未建成建筑物的設計模型的搭建，而傾斜攝影測量技術目的是獲取已有建筑物、構筑物和所在場景的實景模型，即所見即所得。在一些項目立項階段，通常將這兩種技術合起來，作為在已有城區或者場景下，新建建筑物與原有實景的匹配度的展示，這比起之前用平面圖靠想象來解釋項目可行性要直觀的多，因此，該技術被越來越多地應用在立項展示中。

3 校園三維建模的方法

3.1 傾斜數據的獲取

傾斜數據的獲取主要分為測區踏勘、航線設計和飛行實施3個環節。通過踏勘獲取測區的地形，并按照成果質量要求，設置飛行航高、重疊度和航攝飛行方向進行航線規劃。同時，為了獲取高精度三維模型，還需在測區布設一定數量的外業像控點作為約束條件，像控點的布設分為事前控制和事后控制。事前控制用于項目工期時間充裕的情況，事后控制則相反。此外事后控制一般多在城鎮測區采用，地面自身多有規則的幾何紋理。控制點的數量取決于項目精度要求，控制點數量越多精度越高，一般要求在測區四周加中央均勻布點。

3.2 數據預處理

預處理主要包括檢查航拍像片的質量，是否存在漏拍、嚴重色差、云霧遮擋、不合理曝光等情況。需要對像片做勻光勻色、圖像增強、去畸變或者補拍等處理。此外，需要將POS數據與影像數據按照一定的命名規則進行重命名，建立二者的映射關系。

3.3 校園三維模型構建

內業三維模型構建主要分為空三處理和模型重建?？杖幚淼哪康氖峭ㄟ^提取多視角影像中的同名像點進行匹配點連接，并進行區域網聯合平差解算出單張影像曝光瞬間的外方位元素。模型構建即構建不規則三角網TIN，并根據TIN生產無色彩的白模，同時根據三維模型空間位置信息及空三解算出的影像位置信息，實現目標紋理的自動映射，最終輸出基于真實自然紋理的高分辨率實景三維模型。

4 實驗過程

4.1 測區概況

本次實驗以楊凌職業技術學院南校區為試驗區，測區南北長約500 m，東西寬約600 m，測區平均高程為420 m，地勢平坦無地形起伏，建筑物較多且規則分布，最高建筑物為11層，總高度35 m。

4.2 外業航拍方案制定

采用華測P550六旋翼無人機，HC12五鏡頭傾斜相機集成了一個垂直和四個傾斜相機，四個傾斜相機傾斜角度為45°。單鏡頭像素6 000×4 000，5相機總像素1.2億，物理像元尺寸是3.9 μm。校區內建筑物多為6層高，坐南朝北，最高建筑物為11層，總高度35 m，因此，相對航高設置100 m，航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為60%。為了獲取建筑物側面紋理信息，航線布設為南北向，由于傾斜相機傾角為45°，根據相對航高，可計算出航攝范圍四邊均需要外擴100 m。

4.3 內業三維重建

外業采集完數據后，導出五鏡頭像片，分別存放在“F、B、L、R、M”五個文件夾中，依次對應“前視、后視、左視、右視、下視”。另外，還須導出POS數據。

外業像控采用事后控制，校區地面有明顯的規則幾何圖形，例如操場跑道線劃、籃球場地面線劃、食堂門口的藍白相間的幾何方磚等，采用RTK快速靜態多次擬合采集控制點數據。整理刺點片、控制點文件。

內業建模采用CC軟件（Context Capture）。先導入像片，可以提前將像片存放的位置與pos文件做成一個“block”文件，只需導入該塊“block”文件，即可將五鏡頭相機文件、POS數據一并導入。建模中需要正確設置測區坐標參考系，這將關乎建模精度。根據設備機器配置可以切分成若干個小塊進行建模，導出結果為3SM的成果文件。

對于玻璃幕墻、雕塑上的字體、校門口的大字等細節建模時可以采用手機拍攝細節圖片，與航拍的像片一起參與建模，細節呈現清晰真實。也可以采用模型精修軟件，例如武漢天際航的“DPModeler”軟件模塊，可以選用多視角中相對某一特定方位最佳視角影像進行替換，來達到精細化細節呈現的目的，校園北門、南門視角實景模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 校園北門視角實景模型

圖2 校園南門視角實景模型

智慧校園功能模塊開發，系統自帶有三維漫游、量測功能，對于各建筑樓宇的屬性查詢，可以借助GIS軟件，對單體化后的每棟建筑物填加屬性信息，來實現目標查屬性，屬性查目標的GIS查詢功能。

5 結語

本文采用無人機傾斜攝影測量技術完成了校園實景三維模型的構建，體現出傾斜攝影測量三維建模技術的快速、高效、紋理真實、細節清晰等特點，既可以展示校園內優美的環境，助力招生宣傳，又可以實現樓宇信息查詢，方便來訪辦事者，為校園規劃、設備管理等決策提供了數據支撐。

2095－6835（2020）20－0061－02

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.024

鄒娟茹（1981—），女，陜西西安人，碩士研 究生，副教授，主要從事攝影測量及三維建模的教學和研究 工作。

楊凌職業技術學院自然科學研究基金項目“基于無人機傾斜攝影測量的三維智慧校園建設”（編號：A2018040）

〔編輯：王霞〕