單鏡頭無人機在城市建筑物三維建模中的應用研究

● 黃祥雄,呂日清,賓 琰

（1.廣西有色勘察設計研究院，廣西 南寧 530031；2.貴港市自然資源局，廣西 貴港 537100；3.南寧師范大學，廣西 南寧 530001）

城市實景三維作為數字城市建設的重要核心組成部分，其建模技術正朝著高精度、高效率、低成本的方向發展。傳統航空攝影測量構建的城市三維模型工作量大、過程復雜、自動化程度低[1]，缺少與地物信息的融合，導致建模效果不佳，難以滿足數字城市建設的需要。低空無人機傾斜攝影測量技術已逐步取代了傳統航空傾斜攝影模式，被廣泛應用到數字城市三維建模工作中[2?3]。

近年來，隨著無人機技術的快速發展，無人機的續航時間、定位精度、操控性等都得到了大幅提升，為消費級單鏡頭無人機在城市三維建模推廣應用提供了技術支持。相對于傳統多鏡頭無人機而言，消費級單鏡頭無人機具有明顯的價格優勢，飛行更加靈活。研究小組基于消費級單鏡頭無人機，設計“井”字型航線獲取城市建筑物傾斜影像數據，利用Smart3D軟件構建實景三維模型，最后從模型成果的平面精度、高程精度及建模效果進行探討。

1 單鏡頭無人機的傾斜攝影測量

1.1 單鏡頭無人機的優勢

在小區域航攝中，消費級單鏡頭無人機可根據航攝任務要求、地物特點，合理設計航線，進而能夠全方位地對地物進行拍攝，獲取同一地物多角度的影像數據。因此，在小區域范圍內的航攝任務中，消費級單鏡頭無人機相較于多鏡頭無人機具有視角靈活、操作簡單、價格低等優勢。

1.2 單鏡頭無人機傾斜攝影測量工作流程

單鏡頭無人機傾斜攝影測量三維建模的工作技術流程主要分為外業數據采集和內業數據處理。其中外業數據采集包括：（1）像控點布測。根據研究對象和區域地物特點進行像控點布設和測量。（2）多角度影像數據獲取。合理規劃航線，采用無人機外業獲取研究對象的多視角影像數據。（3）內業數據處理與三維建模。采用Smart3D 軟件進行內業數據處理，主要包括空中三角測量、影響匹配、生成點云、構建三維模型、模型精修?；跓o人機傾斜攝影測量技術的三維建模技術流程如圖1 所示。

圖1 單鏡頭無人機傾斜攝影測量三維建模技術流程圖

2 實例數據采集

2.1 研究區域概況

研究區域位于南寧市區，區域地勢相對平坦，滿足消費級單鏡頭無人機飛行條件。此次實驗選擇的某棟建筑高約110m，總建筑面積約5.7 萬m2，建筑立面外形由不同半徑的圓弧或橢圓弧結構組合而成，頂面結構高低錯落。相對于正方立面和平整頂面，該建筑結構更復雜，要實現逼真的實景三維模型需要重點處理好立面錯落區域和頂面破碎結構的細節，這需要更多的影像數據、更科學的航拍設計以及更好的內業建模水平。相對城市少數極度復雜的建筑，該建筑復雜程度適中，如果研究能較好地實現該類建筑的實景三維建模模型，則可以運用于城市中大多數同類建筑中。因此，選擇該建筑在技術方案和成本類比方面具有代表性。

2.2 像控點布設與測量

像控點選點要綜合考慮成圖精度、測區情況、航線設計等因素。研究區內建筑物較高，四周均有樹木，所以選點應避免靠近建筑物、樹木及反射物體等，減少RTK 接收的衛星信號受到的干擾。

為保證像控點測量精度滿足建模需要，研究小組對像控點RTK 測量使用了輔助三角架固定儀，對中桿氣泡嚴格居中后再重復進行3 次RTK 測量，在規范允許范圍內取其平均值作為最終成果。此次外業布測得到了6 個CGCS2000坐標系下的像控點坐標，像控點三維坐標成果如表1 所示。

表1 像控點三維坐標數據表

2.3 影像數據獲取

此次研究利用大疆精靈4 無人機（單鏡頭）進行影像數據采集，通過設計“井”字型航線實現模擬多鏡頭影像數據獲取。

“井”字型航線是由兩個航帶垂直相交構成“井”字，使“井”字航線覆蓋整個研究區，如圖2（a）所示。由于消費級無人機只配備了單個鏡頭，航攝時設置鏡頭仰角為45°，使得“井”字航線交會處能夠獲取建筑物4 個方向的傾斜影像，如圖2（b）為單鏡頭無人機獲取建筑物4 個視角的影像。

圖2 “井”字型航線示意圖

研究區域面積約為26m2，研究小組結合測區及周邊實際情況共設計了24 條航線，旁向重疊度為70%，航向重疊度設為80%，航攝相對航高130m。共拍攝高質量影像227 張，影像地面分辨率為3.5cm。

3 內業三維建模與分析

3.1 空中三角測量數據處理

內業三維建模采用了Smart3D 軟件。將影像數據導入Smart3D 軟件進行影像組檢查，查看影像是否完整。對于缺失影像要返回影像組重新整理或外業補拍，以保證相片的完整性?？罩腥菧y量處理前完成6 個像控點的刺點，保證像控點刺點誤差＜1 個像元。影像組檢查和像控點刺點完成后，按要求設置軟件的各項參數開始空中三角測量數據處理。最后，查看空中三角測量的精度報告，確認處理精度達到規范要求。

3.2 三維建模

完成空中三角測量數據處理后，設置相關輸出目錄、參數后即可開始自動三維建模。建模過程主要包括：（1）多視影像匹配，得到地物的點云數據；（2）構建TIN 模型，為了提高效率，可在軟件中設置對點云數據進行優化分割，快速生成三角網，便于三維模型構建；（3）自動紋理關聯，為了優化結構、提高模型的可視化效率，通過自動紋理關聯技術完成模型的紋理配準，最終得到實景三維模型。

3.3 三維模型精度分析

3.3.1 三維建模效果分析

經過Smart3D 軟件數據處理后，最終獲得研究區建筑物的三維模型。為驗證三維模型的構建效果，需檢查三維模型外部完整性與模型細節。為此，研究小組將構建的建筑物實景三維模型與該真實建筑物進行對比。圖3 為建筑物實景三維模型某一視角的效果圖，圖4 為建筑物實景三維模型垂直視角的細節展示圖。

圖3 建筑物實景三維模型圖

圖4 建筑物實景三維模型細節展示圖

由圖3 可知，模型紋理清晰，建筑物棱角、墻體文字、窗戶等均易分辨，與該建筑物外觀整體上一致。從圖4 可知，在模型細節上雖然還能辨認出建筑物頂部的太陽能板、衛星接收天線，但部分細節處出現模糊的現象，表明模型復雜部分的建模還需改善。

經分析，該模型復雜部分出現模糊的情況是因為Smart3D 軟件自動建模時細節處理不完善所導致。實驗表明，基于消費級單鏡頭無人機傾斜攝影測量，利用Smart3D 軟件構建建筑物實景三維模型，能夠較為完整還原建筑物的物理原貌，但模型復雜部分的細節層次仍存在一些不足之處。

3.3.2 三維模型精度評定

為了檢測Smart3D 軟件構建的建筑物三維模型整體精度，研究小組使用RTK 實測了5 個特征明顯的檢測點，與三維模型中量測得到的同名檢測點坐標進行對比，統計各檢測點x、y坐標較差和高程h 較差，結果如表2 所示。

表2 三維模型檢測點坐標較差統計表

由表2 統計的5 個同名檢測點三維坐標較差結果可知，x 分量最大差值為13.0cm，中誤差為11.1cm，y 分量最大差值為13.5cm，中誤差為11.5cm；平面最大較差為17.2cm，最小較差14.5cm，中誤差為16.3cm；高程最大差值為18.7cm，最小差值為17.6cm，中誤差為17.7cm。《三維地理信息模型數據產品規范》（CH/T9015?2012）[4]中明確了1∶500 比例尺（Ⅰ級）三維模型平面中誤差應＜30cm，高程中誤差＜50cm。因此，此次構建的實景三維模型精度達到了1∶500 比例尺Ⅰ級精度指標要求。

4 結語

研究小組采用消費級單鏡頭無人機，設計“井”字型航線采集得到227 張城市建筑物的多角度影像作為數據源，利用Smart3D 軟件建立實景三維模型，同時對獲得的三維模型效果及其精度進行分析。研究結果表明，此次構建的建筑物實景三維模型整體性較好，與真實建筑物相比具有較好的一致性；三維模型精度滿足1∶500 比例尺Ⅰ級精度指標要求。

此次研究中，模型復雜部分對應的建筑實體往往是結構錯落區域，形態破碎。受到無人機飛行姿態影響，部分數據較難獲?。徊糠中∥矬w在風力等因素干擾下易做不規則運動，也會導致無人機無法獲取足夠合格的靜態數據，因此，部分建模會出現模糊的情況。今后的研究中，復雜建筑的航拍工作應選擇在風力比較低的晴朗天氣下進行，減少風力干擾；對建筑物形態破碎的復雜部位可通過人工近景拍攝并相控糾正，采取空地一體化的建模方式盡可能地還原實景三維模型。