基于消費級無人機的實景三維建模

鐘志強 吳曼喬

（1.梅州市測繪與地理信息技術中心，廣東 梅州 514000；2.廣東省地質測繪院，廣東 廣州 510800）

1 引言

從數字城市發展到現在的智慧城市[1]，各行各業都在加快信息化的節奏。在城市規劃中，實景三維模型的應用對于各設計單位將有可觀的經濟效益，能對數據進行實時的智能化處理，可縮短測量時間，減少測量資金，提高經濟效益。使用無人機航測進行實景三維建模是較為常見的方式。

無人機航測技術將先進的無人機技術、通信技術、攝影測量技術等相結合，通過高分辨率數碼相機獲取高分辨率的柵格照片，并對影像信息進行實時處理和分析，這是目前比較通用的方法。該技術優勢是能獲取豐富的地物紋理信息，高效自動化的三維模型生產、高真實度的三維空間場景，劣勢是采用可見光進行攝影測量，對天氣要求較高，對密集植被下的地形無能為力，對一些細小物體的建模能力存在不足。一般使用價格昂貴的工業級無人機來進行航攝，很少使用成本低廉的消費級無人機來進行作業。

2 消費級無人機簡介

按用途劃分，民用無人機可分為消費級無人機與工業級無人機兩大品類。消費級無人機主要用于航拍、跟拍等娛樂場景，具有產品標準化、應用同質化、成本低廉、入門容易等特征，具有十分廣闊的應用前景。工業級無人機主要用于農林植保、物流、安保巡防以及油氣開采等眾多行業，用戶更注重無人機數據采集的精準化，以及在此基礎上形成的定制化資源分析與利用價值。

項目采用大疆精靈PHANTOM 4 RTK 作為研究的消費級無人機。該無人機是一款小型多旋翼高精度航測無人機，是由消費級無人機加上GNSS-RTK 技術的入門級測繪應用組成，支持GPS/北斗/GLONASS 3 系統6 頻點的RTK，具有厘米級定位，高靈敏的GNSS 定位使無人機在微弱的信號下仍然能穩定飛行。另外，PHANTOM 4 RTK 的鏡頭擁有1 英寸2000 萬像素的傳感器與7 組8 片的全玻璃鏡頭，可以提供高解析力的圖片。機械快門可以消除無人機因高速運動導致的果凍效應，能有效避免實時建圖時的精度降低。系統支持實時RTK 與PPK 數據并記錄精確位置（線元素）、姿態（角元素）、置信度、鏡頭標定參數等重要信息，保障多場景下的作業與后處理。

3 實景三維建模技術流程

3.1 實景三維建模原理

實景三維模型建模[2]是利用無人機上搭載的攝像機鏡頭同時從垂直、傾斜等角度采集影像數據，獲取完整準確的紋理數據和定位信息，通過計算機視覺原理，對獲得的傾斜影像進行三維模型生產。

（1）影像采集。以多攝站環繞、不同角度和不同方向對測區進行拍攝。

（2）坐標解算。普通數碼相機的內、外方位元素初始近似值未知，圖像點、拍攝中心和相應地面物體之間不一致，利用圖像點坐標校正數的直接線性變換方法，建立圖像點坐標與相應目標點空間坐標之間的線性關系。

（3）繪制實體。在照片上采集一定密度的特征點，計算特征點的三維坐標。將特征點投影到三維空間后，利用三維繪圖軟件開發建筑物上的特征點，添加缺失點，利用計算機視覺技術建立線框圖和幾何實體模型。

3.2 ContextCaptureCenter 軟件簡介

采用ContextCaptureCenter 軟件進行三維建模。ContextCaptureCenter 是一款可由簡單的照片和/或點云自動生成詳細實景三維模型的軟件。該軟件的高兼容性能對各種對象各種數據源進行精確無縫重建，從厘米級到公里級，從地面或空中拍攝。只要輸入照片的分辨率和精度足夠，生成的三維模型是可以實現無限精細的細節。ContextCaptureCenter 的原理[3]是從多個角度對靜態物體進行分析，并自動檢測同一特征點，對獲得的傾斜影像、像控點等數據進行預處理、空三加密、模型構建、紋理映射、檢查等步驟，最終得到實景三維模型的技術過程。該過程無需人工干預便可快速地、自動地將一組標準的、無序的二維像片，批量構建成全要素的、精細的、帶有紋理的三維網格模型，從而快速還原真實世界。

3.3 主要技術流程

實景三維建模的技術流程主要包括現場踏勘、控制測量、影像采集、內外業處理和最終建模。具體流程如圖1 所示。

圖1 技術流程

項目以嘉應學院為例，具體探索消費級無人機在實景三維建模中的應用。嘉應學院是廣東省梅州市一所普通公辦本科院校，位于梅州市中心城區，地勢平坦，海拔在100 米左右，占地面積約108.55 萬平方米，校舍建筑面積62.01 萬平方米，周邊多為村莊。通過LSV 地圖和實地踏勘，對面積約0.7 平方公里范圍進行航空影像數據獲取，范圍內無高于100 米的高樓、電塔，航拍條件良好。測區地處低緯，近臨南海，受太平洋和山地的特定地形影響，夏日長、冬日短，全年氣溫高、冷熱懸殊、光照充足、氣流閉塞、雨水豐盈且集中，屬亞熱帶季風氣候。

3.3.1 外業采集

（1）航線規劃及影像數據采集

航線規劃使用PHANTOM 4 RTK 自帶的航線規劃軟件，選擇正射+井字飛行模式（如圖2 和圖3 所示）減少照片量，每次規劃航線時都可以查看航線的預計照片量和剩余空間，不會因為內存卡容量不足而導致照片丟失。起飛地點選在實訓教學樓樓頂，設置地面分辨率約為3.3cm，航向和旁向重疊度默認80/75。設置完畢啟動無人機采集影像數據，本次航測飛行拍照正射影像共1976 張，傾斜影像共3450 張，總5426 張。

圖3 PHANTOM 4 RTK航線規劃（井字）

（2）像控點測量

像片控制點測量按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖航空攝影測量外業規范》相關要求執行，采用數碼相機記錄控制點點位實地位置。

3.3.2 內業建模

（1）像控點刺點

利用傳感器獲取的無人機航空影像對測區進行像控點刺點，將野外實測的像片控制點轉刺到像片上，為保證刺點準確和內業測量精度，刺點時應選取影像清晰的航片刺點，一般要求每一個視角的點位都刺3 ～5 張照片，若是單一角度即3 ～5 張照片，若是五個角度即一個控制點需要15 ～25 張照片。

（2）空三加密與三維建模

項目采用ContextCaptureCenter 軟件進行三維建模，工作流如圖4 所示。

圖4 ContextCapture Center工作流

使用ContextCaptureCenter 軟件建立工程項目，導入預處理影像后，軟件會自動識別照片中的pos 數據、照片畸變參數。空三加密與三維建模過程會產生超高密度點云（如圖5 所示）、白模（如圖6 所示）和紋理映射模型（如圖7 所示）。

圖5 超高密度點云

圖6 白模

圖7 紋理映射模型

3.3.3 精度分析

表1 精度分析

表2 誤差統計

經統計可得出表1 和表2 結果，可以看出，項目三維模型的平面中誤差為0.024m、高程中誤差為0.21m。根據《CHZ 3003-2010 低空數字航空攝影測量內業規范》要求，當平面中誤差不大于0.6m，高程中誤差不大于0.5m，整體模型精度達到1 ∶500 測圖的精度要求。

4 結束語

三維真實場景不僅可以直觀顯示空間對象之間的關系，還可進行空間分析、統計、查詢等，為管理和決策提供技術支持。ContextCaptureCenter 軟件作為傾斜攝影航測業內使用最廣泛的軟件之一，在空三計算、模型構建、紋理貼圖等方面都有獨到的優勢。同時，無人機傾斜攝影技術還能提供DOM[5]、DSM、實景三維模型等多種測繪成果，實現了高效、快速、準確、成本低的工作模式。

通過以嘉應學院為例詳細研究了基于消費級無人機實景三維建模方法的基本作業流程，確認了其成果可以滿足相關規范的三維模型精度要求，驗證了消費級無人機在實景三維建模中的可行性。