基于無人機技術的實景三維建模

周健

(甘肅林業職業技術學院,甘肅 天水741020)

基于無人機技術的實景三維建模實質是利用傾斜攝影技術來獲取測區五個不同方向的影像(一個垂直和四個傾斜)[1],從五個方位獲取地面物體的全方位的頂面及側視的信息,最后利用影像特征提取、影像匹配等攝影測量技術,生成區域實景三維模型。本文以甘肅林業職業技術學院校區作為實驗對象,利用大疆精靈無人機獲取校園的航空影像資料,內業使用ContextCapture 軟件建立實景三維模型。

1 無人機實景三維建模的基本流程

1.1 外業工作

外業工作主要包括航攝因子確定、航線規劃、像片控制測量等。根據天氣條件、測區的地貌地形、測繪產品成果規范要求,對無人機的飛行模式、相機曝光度、照片格式、照片比例等基本參數進行設置,同時根據成圖比例尺要求設置飛機飛行航高、航向重疊、旁向重疊度等進行基礎設置。最后,為了提高實景三維模型的精度,要給予測區一定約束條件,需在測區范圍內布設一定數量的外業像控點,根據測區的基本地形地貌選擇飛前控制或飛后控制,飛前控制指的先布設控制點后航飛,飛后控制指先航飛后布設控制點,控制點的個數取決于測區條件和精度要求。其位置要求一般在測區四周和中央必須控制點,其余點位可大致均勻分布于測區其他位置[2]。

本文選取甘肅林業職業技術學院為研究區,測區平均海拔為1250 米,地形以平地和丘陵地為主,測區南北長約為720 m,東西寬約770 m,測區地物主要以房屋和植被為主。

結合學院實驗室現有設備,同時為了方便后期實訓教學,本次航飛作業飛行平臺采用大疆精靈Phantom 4 Pro V2.0 無人機,其中無人機單鏡頭像素為2000 萬,為了滿足實景三維建模需要獲取傾斜五個方位影像的需要,航線規劃軟件選用UMap無人機智能規劃軟件,因測區內最長建筑物為圖書館,長為88m,照片比例為4:3,為避免過多影像分割圖書館,故本次航線選用南北向。同時根據測區內最高建筑物為圖書館(高30m),設置相機傾斜角度為45 度,飛機飛行航高設為105 米,航向重疊度設置為80%,旁向重疊度設置為70%,同時為了清晰呈現測區的邊緣模型,需要設置測區外擴,根據航攝因子等參數,航線規劃范圍外擴100 米(見圖1),本次作業測區共拍攝6200 張航空影像。在外業控制測量工作上,采用飛前控制的方法,其控制點靶標采用劃“L”字型,為了滿足在影像上靶標清晰可見,控制點靶標選擇在1 米*1 米尺寸的防水布上油性噴涂打印紅色標識,具體為80*60cm 長,寬度為15cm 的“L”字形(見圖2),沒有特殊說明,外業均測量直角內角,測區內共布設12 個像片控制點,6 個檢查點。全部利用南方銀河RTK 進行控制點坐標的測量(靜態擬合方法)。

圖1 航線規劃軟件

圖2 像控點靶標

1.2 內業工作

1.2.1 數據預處理

數據預處理指檢查航拍像片的質量[3],包括測區內是否存在航攝漏洞、重疊度、航線彎曲度、像片旋角等是否符合規范要求,同時由于飛行角度原因,導致太陽入射角對于全區照片的色彩會存在偏差,需判斷影像是否要進行勻光勻色等操作,最后要刪除起飛、降落和向航點飛行等產生的多余影像。

1.2.2 內業實景三維建模

在數據預處理結束之后,采用在測繪、建筑領域應用廣泛的ContextCapture 全自動三維建模軟件進行實景三維建模工作,ContextCapture 軟件為Bentley 公司出品,是通過掃描、拍攝等手段獲取現實模型的應用軟件,其生產的模型的真實體現第五地貌足夠的多細節,同時,可在建模過程中提供準確的地理坐標,可為后期其他應用提供基礎數據。

ContextCapture 三維建模基本方法為:導入像片- 導入POS數據- 導入控制點數據并刺點- 空中三角測量- 三維建模-產品生成。其中空中三角測量為關鍵步驟,其精度直接決定了后續三維建模產品的精度,本次作業要求空三精度報告中單個控制點和檢查點的精度均小于1/2 個像素。目前多視影像聯合平差技術是三維建模關鍵的技術,實質就是數字攝影測量中基于特征的提取[4],常用的特征算子包括SIFT、MSER、Moravec、Forstner 等。特征提取后進行數據匹配,軟件內置的高密度匹配技術會根據高精度圖像匹配算法自動匹配所有圖像中所有的同名像點,從而從圖像中提取更多特征點,形成一個高密度點云,從而更準確表達地表地表地物地貌的細節。

1.2.3 模型修飾

利用軟件直接生成的三維模型在細節上會稍有瑕疵,例如地物之間相互遮擋、特征不明顯的水域、反光明顯玻璃幕墻均會產生一定的扭曲變形,某些區域紋理拉伸模糊、空洞、冗余碎片、標牌破損、水面殘缺、漂浮物等現象均可能產生,解決這些問題可利用手機等地面補拍地物細節并與無人機影像共同參與建模的方式,進行紋理的補充,當然,也可利用精修軟件進行三維模型后期的優化和修復工作。目前,市面上常用修模軟件有武漢天際航的DPModeler 軟件和大勢智慧的模方軟件。經過處理后的校園實景三維模型和模型細節圖分別見圖3 和圖4。

圖3 校園實景三維模型

圖4 圖書館東門

2 精度評定

精度是檢驗模型準確度的指標,本次主要評定模型的平面精度和高程精度。由于考慮外業實測數據也存在一定誤差,所以將外業實測數據與在三維模型上量測的對應點數據做對比,并計算中誤差,從而判斷中誤差是否合格。外業上仍然采用南方銀河RTK 進行檢查點的實際測量,內業上利用軟件選取對應的點位,選取點位時要放大到一定倍數,確保點位清晰準確后,才能量測其坐標和高程信息。經過統計,測區內共35 個檢查點,高程精度均小 于 0.1m, 高 程 中 誤 差0.064m,平面位置精度均小于0.25m,平面中誤差為0.145m,從而得出結論,其精度均符合要求。

3 結論

本文以甘肅林業職業技術學院為研究區域,研究基于無人機技術進行校園實景三維建模的方法,經過實驗發現,四天即可完成測區770m*720m 范圍實景三維模型的制作。而傳統的建模軟件則是在地貌地物平面信息的基礎上建立沒有紋理的三維模型[5],平面信息需已知或實際量測,且模型中的紋理需要大量人工拍照后貼到三維模型上,相同面積需要耗時15-20 天,因此借助傾斜攝影測量技術,不僅可以高效率的快速建立測區的具有真實紋理三維模型,同時實地驗證其精度,使模型具有地理參數意義,可為學院規劃、管網建設、建筑施工提供準確可用的測量數據,也為后期智慧校園的建立提供了數據支持。