利用無人機傾斜攝影的建筑物立面建模方法

劉 振，吳長悅

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210)

建筑物立面測量，即根據需要將建筑物從各個不同方向，測出目標的俯視圖和正立面圖、側立面圖，以真實反映出建筑物各個部位在立面圖上的關系位置及其尺寸，其效果類似照片[1-3]。隨著測繪方法和儀器的發展，傳統二維信息的表達已經不能滿足人們的需求，人們需要更加直觀的三維信息的呈現，各種三維建模技術應運而生。目前主流的三維建模方法有三種：通過全站儀外業測量后用CAD進行三維建模；通過三維激光掃描儀的三維建模；通過無人機傾斜攝影測量的三維建模。CAD建模是最為傳統和古老的建模方法，該方法外業測量任務繁重，內業數據處理需耗費大量人力和時間成本。三維激光掃描儀的建模方法外業測量相對簡單，三維建模精度非常高，但是內業點云數據量非常大，處理起來很不容易，并且三維激光掃描儀的成本太高，一般的單位負擔不起，不適合大范圍的推廣使用。無人機傾斜攝影測量技術是近幾年發展起來的新的測量手段，具有方便快捷的優點，并且外業和內業的操作都不是很難，成為了一種低門檻高效率的三維建模方法，得到全行業范圍內的大力推廣，并且深受測繪工作者的青睞[4]。

目前，在立面測量中，全站儀、三維激光掃描儀和傾斜攝影都能夠得到三維的立面成果，但是綜合考慮，本文選擇無人機傾斜攝影測量作為研究對象，通過實驗證明了該方法的可行性，值得大面積推廣使用。

1 無人機傾斜攝影測量

1.1 數據的特點

無人機傾斜攝影的數據有以下特點：(1)數據獲取方式便捷高效，利用無人機搭載普通相機按照預定航線飛行，即可獲取原始影像數據；(2)數據獲取成本較低；(3)獲取的數據具有全方位、多視角、高分辨率等特點；(4)內業數據處理較為簡單，基本可以實現全自動或半自動化直接得到三維模型成果[5-6]。

1.2 數據存在的問題

使用無人機傾斜攝影測量進行三維建模的影像序列數據常存在以下問題:

首先，三維模型成果的精度受原始影像序列的影響較大，不同分辨率的原始影像得到的模型存在較大差異，影響影像分辨率的因素較多，除去傳感器自身的影響外，無人機飛行的航高、重疊度、飛行時的光照等都會影響影像的質量。

其次，可能會存在遮擋問題。在無人機傾斜攝影測量的過程中，不同的作業環境可能會存在一定程度的目標地物的遮擋問題，有時可能是建筑物結構導致的，有時可能是樹木的影響等，這些都會導致影像紋理的缺失，最終影響模型局部細節的呈現。

最后，多視影像匹配出現錯誤。城市建筑的材質較為復雜，在對有些玻璃或金屬等材質進行拍攝的時候，可能存在大面積色調單一和反光現象，折回使得影像在匹配時出現錯亂和無法識別，最終產生有漏洞的三維模型[5]。

2 建筑物立面重建

基于無人機傾斜攝影的建筑物立面重建的基本步驟為影像序列獲取、內業數據處理和三維模型的修復。

2.1 影像序列的獲取

使用大疆的精靈4 RTK單鏡頭無人機對目標區域進行拍攝，主要采取系統規劃的空中航線與人為設計的地面路線拍攝，這兩種空地相結合的拍攝方式。選擇天氣晴朗的時候進行外業飛行，主要采集面向道路兩側和建筑頂部的影像數據，道路總長度200 m左右，拍攝垂直和傾斜有效影像共計1 017張，原始照片如圖1所示。

圖1 原始照片

在拍攝的時候，要求航向重疊度80%，旁向重疊度80%，建筑物正上方拍攝一組正攝影像，然后在道路上方對兩側建筑分別以45°傾角在最上邊拍攝一層，然后再往下以等高度間隔(20 m)，以0°傾角拍攝三層，最下面一層為地面層，用手舉著無人機沿道路兩側，使鏡頭正對兩側建筑進行拍攝，最終得到的影像為五組：頂部一組正攝和側面四層傾斜影像。拍攝方案如圖2所示(其中箭頭朝向為無人機鏡頭朝向)。

圖2 拍攝方案

2.2 內業數據處理

內業數據處理主要使用ContextCapture(原Smart3D)實景三維建模軟件，該軟件是Bentley公司的一款非常優秀的三維建模軟件，具有自動化程度高、操作簡便、三維建模效果優秀、并行運算效率較高等特點[7-8]。內業數據處理主要包括：數據導入，空中三角測量，選刺像控并再次空中三角測量，切塊生成三維模型。數據導入ContextCapture之后的軟件界面如圖3所示。第一次空中三角測量之后的成果如圖4所示。像控點導入后的界面如圖5所示。像控點一共有8個，成“五餅形”均勻分布在道路兩側，坐標系統采用2000國家大地坐標系，中央子午線為高斯3°帶117°，具體像控坐標數值如圖6所示。

圖3 照片導入后界面

圖4 第一次空三后界面

圖5 像控導入后界面

圖6 像控坐標

選刺像控并進行空中三角測量之后的成果如圖7所示。

圖7 刺像控后空三界面

最終的三維模型成果如圖8所示。

圖8 三維模型效果

2.3 三維模型的修復

對于已經生成的三維模型，由于樹木的遮擋、道路兩側建筑的玻璃或金屬材質，都會導致在軟件處理過程中紋理映射的錯誤。三維模型質量很大程度上依賴于原始影像數據，因此考慮通過外業補拍照片來解決遮擋問題，大量的冗余信息也能在一定程度上解決玻璃鏡面的反射問題；此外，還可以在航測系統軟件自動空三加密之后，通過手動添加連接點來輔助解決模型的玻璃漏洞問題。通過這兩種方法對模型進行修復，最終的三維模型效果如圖9所示。

圖9 最終三維模型

3 建筑物立面增強

通過以上的理論分析和試驗驗證，說明了處理過程中原始影像數據對模型成果的巨大影響，利用影像中豐富的幾何信息和建筑物設計中包含的規則可進一步提高模型質量，實現建筑物立面的增強[9-10]。豐富的建筑物紋理信息可以在一定程度上增強建筑物三維模型的立面效果，這種基于影像的增強，主要可以解決建筑物三維模型的缺失問題，修補模型漏洞和局部細節，但是可能會增大外業的工作量，所以應該盡量在第一次外業拍攝的時候就合理規劃好拍攝方案，對于可能存在遮擋或遇到反光材質，應該在原有拍攝方案的基礎上，加拍一定數量的影像數據，并且要保證與其他影像數據的關聯性和重疊度。

4 結 語

本文對建筑物立面測量進行研究，提出了立面三維建模過程中可能存在的問題，并通過實驗論述了無人機傾斜攝影立面測量的具體實施步驟，探討了在對建筑物立面進行三維建模時可能影響模型效果的因素，通過影像增強來對模型修復，最終得到質量非常好的模型。證明了使用無人機進行建筑物立面測量具有可行性，為立面測量提供了一種可參考的解決方案。