無人機傾斜攝影實景三維建模技術研究與實踐

樊新乾 麻麗明 武曉英 王慶斌

無人機傾斜攝影實景三維建模技術是無人機掛載圖像采集傳感器，采集被采集對象圖像數據、位置數據，經過后期內業處理，得到被采集對象全面的位置信息以及表面紋理數據信息，生成實景三維模型。本研究以河北機電職業技術學院實景三維模型數據采集及內業數據處理為例，探索并實踐了基于無人機傾斜攝影實景三維建模技術。

1無人機傾斜攝影測量技術

隨著無人機機載傳感器的不斷改良，無人機在測繪攝影功能上得到不斷強化，無人機行業的發展，無人機設備多樣化及成本也隨之降低，近些年，無人機傾斜攝影測量技術是國內外測量領域中發展應用起來的一項高新技術，已成為攝影測量領域中一個新的研究熱點。傳統測繪人工編輯工作量大，建筑物貼面紋理依靠人工地面拍攝影像，屬于勞動密集型的工作場景，嚴重制約著智慧城市建設的效率，耗費體力的同時降低了工作效率。

無人機攝影測量與傳統測繪相比有以下三大特點：高精度，高效率，低成本。三維建模的難度比二維數據要復雜的多，隨著測繪技術的發展和三維建模算法的不斷優化，數據獲取的方法越來越多，精度越來越高，分析各種三維建模方法的優缺點，現階段，無人機傾斜攝影技術的重要性逐步提高，已成為是智慧城市三維建模的主要技術。

2無人機傾斜攝影數據采集

目前常用的傾斜攝影無人機有大疆創新公司系列產品，如精靈PHANTOM4 RTK單鏡頭系統、M300 RTK搭載傾斜攝影五鏡頭系統、深圳飛馬機器人科技有限公司飛馬智能航測F300固定翼無人機系統，成都縱橫自動化技術股份有限公司CW-15垂直起降無人機系統等。以上三大系列涵蓋了多旋翼，固定翼、垂直起降等多種機型。

無人機傾斜攝影采集方式主要有三種：第一是使用像大疆創新精靈PHANTOM4 RTK版本，搭載單鏡頭無人機，數據采集需要按照五向或者“井”字形航線，在空中多角度重復飛行，適用于小范圍數據采集或者單體建模。第二種是使用搖擺或旋轉兩鏡頭，在采集區域飛行一個架次，多次多角度拍攝來采集數據，目前已逐步被五拼相機所代替。第三種使用無人機搭載五鏡頭相機，同一位置采集五個方向數據，適用于大范圍數據采集，三種方式各有不同的應用場合和優缺點，使用時根據具體情況選擇。

3航測內業數據處理

航測內業數據處理是傾斜攝影測量的重要環節，利用照片進行三維重建是一項關鍵性的技術。傾斜攝影測量技術獲取多角度的高分辨率測量影像數據，并實現大場景，超精細，實景三維的最真實還原。傾斜攝影建模采用高精度、高效率、一體化的自動建模技術，建立測區三維模型。傾斜攝影實景三維建模技術集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動建模技術于一體。傾斜攝影實景三維建模軟件主要有包括了Pix4Dmapper、Smart3D、PhotoScan、街景工廠等，PhotoScan軟件較小，但是生成的模型紋理效果不是太理想，Smart3D三維模型效果最為理想，而且人工修復工作量較低。利用PhotoScan、Smart3D等相關軟件，在有無像控點的的情況下，能夠完成多視圖、多視角的三維重建，還原出最真實的三維場景。同時，利用相關數據處理軟件可以精準測量被測對象三維模型的面積、高度、長度、體積等數據。

4河北機電職業技術學院實景三維模型的建立

本項目的測量區域為河北機電職業技術學院校區，位于華北平原南部，學校所處區域地勢平坦，海拔落差不超過5米，學校最高建筑物為主樓，高度約為60米，其他主要建筑均不超過6層，校內包括實訓樓，教學樓，實習工廠，食堂，學生宿舍，田徑場、在建公寓樓等，占地總面積約為55萬平方米。

本項目無人機傾斜攝影數據采集設備為精靈PHANTOM4 RTK，精靈Phantom4 RTK是大疆創新公司出品的小型多旋翼高精度航測無人機，主要面向低空攝影測量應用，具備高性能成像以及厘米級導航定位系統，攜帶使用方便，能夠全面提升航測效率。

5作業流程

參考標準《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規范》（GB/T15661-2008）對測區合理設計航線，確保目標攝區被完全覆蓋。飛行高度根據周邊建筑高度以及模型分辨率而定。

第一步考察現場，航測作業前，綜合考慮無人機飛行參數，測區地形地貌、所需測量精度等因素，根據奧維地圖確定被測范圍，確定相控位置，建筑類模型布控以“米”字形進行鋪設。

第二步航線規劃，飛控軟件規劃航線，無人機按照設計航線飛行，航高需要高于建筑物40-80米，確定為110米，航向重疊度以及旁向重疊度均設置為75%。實際工作中根據天氣實況、地物、地形情況以及參考曝光量，確保曝光量的準確。

第三步實地作業，首先利用中海達手持RTK，進行相控的鋪設，鋪設完相控，利用精靈PHANTOM4 RTK進行航飛，拍照模式選擇等距間隔拍照，時間間隔為2s，邊距0m.根據航線規劃，飛行速度設為8m/s，分辨率為1.5cm。本次共獲得航片8572張。POS數據由無人機在數據采集時生成，包括海拔、經緯度、高度、飛行姿態等豐富的信息。

第四步數據處理，外業采集結束后，將采集回來的照片，相控數據導入進按照Smart3D軟件實景建模的相關技術流程，打開smart3D軟件，新工程-建項目（英文名稱），選擇文件保存的路徑，影像導入處理好的照片目錄：添加影像，添加整個目錄，檢查影像文件是否完全導入，點擊概要提交空三測量數據等待空三結果計算完畢后，查看3D視圖是否可以進行建模。

6結語

通過河北機電職業技術學院實景三維模型，并且制定了規范的無人機外業數據采集以及內業數據處理的教學項目，有效的指導了無人機應用技術專業航測應用教學工作。提高專業師生的實踐能力，實現測量、標繪、分析、內容演示、模型優化、三維全景展示、可視化管理平臺深度，助力智慧校園建設。

課題來源：河北省高等學校科學研究項目，項目編號：Z2018233。