基于無人機傾斜攝影技術實現三維實景建模研究

何衛紅

(淮北礦業股份有限公司楊柳煤礦，安徽 淮北 235119)

0 引言

近年來，航空攝影測量技術經過不斷發展，各項技術日漸成熟，在日常測繪及大比例尺地形圖測繪中展現出非常重要的作用。隨著無人機技術的進步，航空傾斜攝影技術也迎來了前所未有的發展，而實景三維建模是傾斜攝影最重要的應用方向。但是針對小面積的三維高清實景建模，利用專業航拍建模工程量大，費用高。本文重點闡述消費級無人機搭臺的云臺單攝像頭代替專業級多攝像頭實現多角度傾斜攝影，利用ContextCapture軟件自動從影像數據資料中迅速提取地面建筑物的空間相對位置、房屋建筑結構、色調與紋理表面信息等，迅速自動構建城市真實場景的三維空間模型，用戶可實現自由旋轉、移動，全方位直觀地從三維模型上查看房屋、河流、路面等詳細的真實紋理細節，填補了正射影像在空間數據方面的不足。

消費級無人機實現三維建模是利用在遙控器中自動設置航線，無人機將自動從不同的角度按規定的航線定時自動觀測同一段地物。由于消費級無人機飛行高度低，影像資料紋理細節更加豐富、真實，該項技術將是未來小范圍迅速建模的主流方向。

本文以淮北市楊柳煤礦工業廣場附近部分區域為試驗，開展了利用普通消費級無人機傾斜攝影測量技術建立礦區工業廣場三維實景建模，總結了建模的技術要點和流程，并對建模過程中需要注意的事項進行了歸納和總結。

1 區域概況

楊柳煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內，井田范圍南北走向長8.8 km，東西寬9 km，礦區面積為60 km2。本應用范圍為礦區工業廣場附近，飛行范圍內總體視野開闊，地勢較為平坦，建筑物為一般高層，最高25 m左右。

2 無人機傾斜攝影技術

2.1 基本原理

無人機傾斜攝影技術是在無人機搭載的可自動調節角度的攝像頭實現數據自動采集，具有價格低、靈巧方便、不受空間高度限制、影像數據獲取快的特點，特別是在小區域內低空獲取高分辨率影像資料比專業的設備更具優勢。該項技術是近幾年隨著消費級無人機的普及而興起的一門測繪技術。它通過在無人機上搭載云臺高清攝像頭，在規定設置的航線內全自動從空中垂直向下、傾斜多角度等不同角度定時拍攝，從而自動獲取一套高清晰影像資料。為便于后期軟件對影像資料進行處理，拍攝影像資料時會自動記錄照片的曝光時間、拍照平面位置、飛行高度、飛行姿態等大量基礎數據。將消費級無人機的自動云臺攝像頭與傾斜攝影技術相結合，與傳統的搭載多臺傳感器(專業常用的5個攝像頭的相機)無人機比較，成本更低、效率更快，是構建城市實景三維模型的新型方式。

2.2 高清傾斜數據獲取

高清照片獲取是利用無人機搭載高清相機利用傾斜攝影功能完成的，本文講述大疆御2pro無人機在開發者選項中開啟dji pilot界面模式利用傾斜攝影的功能實現。

該無人機是2018年發布的一款消費級航拍無人機，其最大續航里程達10 km，最大飛行速度68 km/h(S檔模式)，最大傾斜角度35°(S檔模式)。相機基本參數如表1所示。

表1 相機參數

2.3 航線設置

在大疆無人機遙控器里設置航線，為保證建筑物紋理清晰及精度，在工業廣場上方采用不同方向重疊航攝，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影航線設置圖

本例自動設置5條航線，重疊率均為80%，每條航線自動定時拍照238張照片左右，面積約11萬m2，飛行高度設置超過最高建筑物30～50 m，飛行速度設置最大模式。無人機按航線設置順序，自動執行任務完成影像照片數據自動采集，全部完成后將照片導出即可進行三維實景建模。

3 楊柳煤礦工業廣場三維建模

本文利用軟件ContextCapture，即Smart3D，這是目前常用的自動化程度較高的一款三維建模的軟件，無須人工過多干預即可將利用無人機多角度獲取的影像資料自動處理，通過計算機的圖形計算，生成高密度的點云，構建大量格網，并在此基礎上生成高分辨率的具有真實紋理的三維場景模型。

3.1 生成的實景三維模型的優點

1)真實紋理反映建筑物。實景三維模型的建立打破了傳統工業工廠平面圖及正攝航拍無法描述地物立體形狀與表面真實紋理細節的限制，讓用戶可以從不同視角瀏覽同一地物，可最大限度還原工業廣場周邊地物樣貌，與傳統三維建模比較，目視效果更加逼真。

2)可量測數據。在生成的三維模型過程中對已知地面特征點進行刺點，輸入地面坐標、高程，輸出模型成果可進行地物長、寬、高、角度、面積、體積等信息量測。

3)建模速度快、效率高，能在短時間內獲取高清模型數據，在工程規劃，消防救災、災害評估等得到廣泛應用。

3.2 技術流程

ContextCapture軟件進行三維建模的主要技術流程如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影三維建?；玖鞒?/p>

3.3 數據預處理

為保證建模效果，模型制作前對無人機獲取的影像資料進行檢查，包括影像的質量、格式、重疊度，同時對影像的色彩進行檢查，確保光線均勻，色調一致，不出現局部偏色等情況，對無人機拍攝不合格照片進行適當去除，提高計算效率，保證模型生成最終效果。

3.4 模型生成

在ContextCapture軟件中新建工程，導入無人機拍攝的影像資料，初步自檢完畢，進行空三測量，傾斜攝影空三運算是實景三維建模的非常重要的一步，因多個視角的照片需要考慮影像的畸變及部分拍照視線的遮擋的因素，該軟件的空三平差處理是將上傳的影像資料中正攝(正片)及傾斜攝影(斜片)集中進行混合平差，軟件自動選擇不同視角內最優模型生成高密度的點云，構建三維空間信息，獲得最佳效果的紋理。同時在定位和地理參考選項中通過像控點輸入坐標位置。最后提交空進行任務處理，在3D視圖中查看生成的三維模型成果，如圖3所示。

圖3 楊柳煤礦工業廣場附近實景三維模型圖

通過在Acute 3D Viewer軟件中觀察生成的三維模型場景中地物的空間位置、形狀、顏色、外觀等與實際環境一致，各地物單位之間銜接流暢完整，建筑物輪廓清晰，各面紋理完整，與實際情況相符，細節較好地表現出來，但是大門玻璃頂棚下部區域等視線遮擋部分的形狀、輪廓出現偏差，出現部分空洞現象，說明在玻璃這種缺少紋理特征又表面光滑的地方會無法匹配特征點，而產生模型效果差的現象。

4 結語

消費級無人機傾斜攝影技術實現實景三維模型與傳統的搭載多鏡頭的專業無人機的建模方式相比，有著傾斜攝影數據獲取較快、成本低廉和高場景逼真度、真實紋理等諸多優點。它的應用填補了煤礦工業廣場在平面圖及航拍正攝投影在空間框架數據上的不足，提供了一種新的解決思路，成為航空攝影中一個新的發展方向，相信在未來會發揮越來越重要的作用。

但是該種建模成果還存在一定的不足:①對于攝影死角、地面路燈、供電線路等截面過小的地物，以及河流水面、玻璃等光滑表面又缺少紋理特征，會因特征點匹配較少而造成模型部分失真、空洞。②最終模型效果過度依賴于無人機攝像性能，對無人機攝像質量及拍照的天氣成像要求很高。③由于拍照優選高清質量照片，影像數據量較大，對模型修改和后期應用都帶來了諸多不便。