面向三維GIS的無人機數據采集與處理方法研究*

趙曉清

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013;2.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，越來越多的GIS系統對精確、逼真的三維數據提出了要求，各地市開展的數字城市建設也開始加入三維實景模型數據源，用于進行三維展示、三維分析、輔助規劃等，在需求的推動下，三維數據的快速采集與處理開始成為研究熱點。傳統的攝影測量設備昂貴、空域申請困難、技術流程復雜，將多數測繪單位拒之門外，近幾年來，無人機技術飛速發展，帶精密定位模塊的消費級無人機產品不斷推陳出新，價格邁入萬元級門檻，由此攝影測量開始真正進入普及化時代。當三維數據源變得易得易用后，三維礦山、三維社區、三維校園等三維GIS系統的建設和使用開始走向實用[1]，本文以國產SuperMap為平臺軟件，以無人機為數據采集工具，研究了影像數據獲取、三維模型建立與處理、多源數據融合等問題，為三維GIS系統的建立提供了精確、美觀、實用的基礎數據。

1 技術路線

依據數字攝影測量原理，從初始拍攝照片到可量測的模型和產品，中間要經過空三處理、點云生產、網格構建、紋理提取、模型建立等環節[2]，針對不同的產品需求，國內外各大軟件提供商有側重的推出了各自的解決方案，雖處理流程大致相似，但各自特色鮮明，在使用中需根據需求組合使用，本實驗采用的多源數據處理流程如圖1所示。

2 無人機影像數據采集

使用無人機進行影像數據采集通常有兩種方式：(1)垂直攝影；(2)傾斜攝影。垂直攝影一般應用于傳統測繪4D產品的生產，雖然在當下的建模軟件支持下亦可生產三維模型，但由于相機拍攝角度問題，被攝對象的側面紋理信息獲取不足，三維模型效果通常較差，且點狀地物如路燈、電桿等通常會缺失，需后期進行立體量測或人工調繪后手工建模。傾斜攝影是近年研究熱點，通過在飛行平臺上搭載一個或多個傳感器，可以獲取地面的多視角影像，有效解決垂直攝影中的墻面遮擋壓蓋、建筑屋頂位移等問題，同時，由于側視信息豐富，建模效果更加逼真、細膩，更加符合人眼視覺。本次實驗采用了大疆精靈4RTK無人機，選取“井字”飛行，云臺角度-60°的方式進行影像獲取，航高100 m，航向重疊與旁向重疊取默認值80%和70%，地面分辨率2.74 cm，傾斜攝影建模精度8.5 cm。如對模型質量要求較高，可采用“五向”飛行，獲取正射影像和云臺角度-45°的傾斜影像[3]。

3 實景模型建立與處理

3.1 軟件選取

行業市場上應用較多的國內外無人機傾斜影像處理軟件主要有美國的ContextCapture Center、瑞士的Pix4DMapper、俄羅斯的MetaShape、大疆智圖等，各個軟件各有優缺點，且各階段成果可相互轉換使用[4]，在數據處理過程中可依據需要綜合選取、交叉使用，依據經驗共識，對各軟件整體對比評價，結果參考如表1所示。

表1 軟件整體對比表

3.2 實景建模

MetaShape軟件影像畸變校正、空三處理能力強，而模型構建時，ContextCapture軟件使用了較為先進的“泊松表面重建方法”，對影像數據生成的點云進行表面重建的效果較好[5]，本次實驗采用MetaShape進行了空三處理，軟件評定位置中誤差為0.051 m，與現場實測像控點、檢查點計算結果基本一致。將合格的空三成果導出為Block Exchange格式，在ContextCapture中導入該區塊，進行邊界劃定、模型切塊、參數設置后，開始進行模型生產，軟件內部處理流程如圖2所示，實際作業時完全為自動生產，基本無需人工干預。ContextCapture默認生產成果的格式為自定義3MX格式，而目前市面上生產的傾斜攝影三維模型數據的組織方式一般是二進制存貯的、帶有嵌入式鏈接紋理數據(.jpg)的OSGB格式，該格式自帶多級分辨率的LOD數據，LOD數據是在模型的生產過程中創建，根據密集點云逐級抽稀后構建的三角網模型，在三維場景的瀏覽過程中，不同層級之間的過度平滑，無突跳感，且為多數GIS平臺、矢量數據采集平臺所支持，為此，模型生產完成并檢查無誤后，一般需轉換OSGB格式[6]。

圖2 ContextCapture三維模型生產流程圖

3.3 單體處理

軟件構建的三維實景模型通常用“一張皮”來形容，與影像數據類似，只能進行瀏覽、簡單量測，無法添加屬性數據進行數據管理與分析，因此要借助工具軟件對整個實景模型進行單體化處理。目前，單體化技術主要有兩種：(1)切割單體化：用建筑物、道路、樹木等對應的矢量面，對傾斜攝影模型進行切割，即把連續的三角面片網從物理上分割開，從而實現單體化[7]。(2)ID值單體化：利用模型的三角面片中每個頂點額外的存儲空間，把對應的矢量面的ID值存儲起來，即一個建筑所對應的三角面片的所有頂點，都存儲同一個ID值，從而實現在鼠標選中該建筑時，可以呈現出高亮的效果[8]。目前，市面上的多款軟件都可用交互式方式進行模型分割，如圖3所示，簡單快捷。

圖3 模型單體化效果圖

3.4 模型精修

由于航攝區域存在水面、綠地等弱紋理區，或航攝盲區死角造成空洞區域，或地表高差起伏過大導致空三、建模精度較低，模型可能出現丟失、扭曲、映射錯誤等問題，如對數據質量要求較高，需要對單體模型進行修補優化，使其更加規則美觀。模型處理軟件應用較多的有3D Max、Dp Modeler、Wish 3D、VSModeler等，常用的數據格式一般為OBG格式，這種格式是為3D建模和動畫軟件開發的標準3D模型文件格式，適合于3D軟件模型之間的互導，為多數模型處理軟件支持[9]，此次試驗采用了3D Max軟件完成了建筑墻面修復、道路置平、刪除漂浮物、水面漏洞修復等功能，效果圖如4所示。

圖4 模型修復效果對比圖

4 多源數據融合

不同的數據類型在不同的應用中各有優缺點，優秀的GIS系統均提供不同的數據接口，可以融合不同的數據源。利用無人機不僅可以生產三維實景模型，也可以在此基礎上進行多種其它數據格式的再生產，為GIS系統強大功能的實現建立數據基礎。

4.1 影像數據的生產

影像數據紋理豐富，直觀形象，是早期垂直攝影測量的主要產品，無人機低空傾斜攝影測量可以使影像數據獲取更簡潔、分辨率更高，如大疆精靈4RTK的航高100 m數據，可以生產2.74 cm分辨率的TDOM數據，完全滿足1：500大比例尺地形測圖的需要[10]。ContextCapture軟件中，在生產的實景三維模型數據基礎上，通過再生產可以快速的得到TDOM、DEM的瓦片數據，利用ArcGIS工具箱中柵格數據處理工具進行鑲嵌處理可以得到完整影像數據。如采用Pix4DMapper軟件進行數據處理，則一般先直接生成DOM和DEM數據，然后將二者進行合成處理得到三維模型數據。軟件生成的影像數據中均帶有位置信息，無需進行配準、微分糾正等處理即可直接使用。

4.2 矢量數據的生產

矢量數據易于管理和使用，數據量小。GIS系統中常用矢量數據格式有shape/dwg/kml等，如果已收集到項目區的CAD數據，如設計圖、竣工圖等資料，可以利用ArcGIS的轉換工具進行不同格式的轉換，如果項目區無現狀矢量資料，需要在實景模型數據或影像數據基礎上進行采集處理，傾斜攝影裸眼測圖軟件可采用EPS、iData、HiData、CASS3D、SV360等。為驗證傾斜攝影測量生產的矢量數據精度，在測區范圍內選取了10個特征點，在實景三維模型上利用CASS3D軟件進行數據采集，并與RTK實地采集的坐標進行了比對，結果如表2所示，該精度滿足1:500地形測圖規范。

表2 矢量數據生產精度對比表/m

4.3 屬性數據的采集與數據庫建立

屬性數據是GIS數據管理與分析的基礎，主要是各地理實體對應的非空間信息，根據系統的需求分析報告及功能設計，采取調查、統計等方法制作為數據文件存儲待用。各項數據準備完畢，即可選取GIS平臺軟件進行數據庫的建立及后期系統功能的開發。此次實驗以SuperMap為平臺，在iDesktop中新建數據源，通過導入功能可以將CAD、ArcGIS、OSGB、KML、表格數據、模型數據等分別建立數據集，由于SuperMap 3D Designer三維地理設計引擎可針對各類數據進行匹配處理，從而可以實現多源三維空間數據的融合和不同數據的疊加，空間數據處理無誤后，將屬性數據與空間數據進行關聯建立完整數據庫[4]，多源數據融合效果如圖5所示。

圖 5 多源數據融合效果圖

5 結 語

本文就無人機傾斜攝影測量技術在真三維GIS系統數據采集中的應用進行了研究與實驗，通過多個工具軟件的組合使用，建立了從外業航飛相片到空中三角測量、密集點云建立、三維模型生產、影像數據生成、矢量數據轉換、多源數據融合的高效生產流程，位置信息精準、紋理信息細膩，為高效實用的真三維GIS平臺提供了優質數據源。數據處理完成后，在SuperMap iObject.net和編程工具的支持下，可構建功能完善、面向行業應用的真三維GIS管理系統。由于數據生產過程中涉及到多個軟件平臺、多個數據格式，因此融合后數據難免存在色差、錯縫等問題，需進一步研究解決。