基于無人機傾斜攝影的智慧校園三維建模應(yīng)用研究

王 倩，劉 攀

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（VR）等技術(shù)的出現(xiàn)，以3S技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)為代表的地理信息技術(shù)也迎來了巨大的發(fā)展機遇，全球進入了“大數(shù)據(jù)時代”[1]。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的完善也給城市管理帶來了巨大的變革，完成了“數(shù)字城市”向“智慧城市”的轉(zhuǎn)變，給人們的日常生活帶來了極大的便利。以無人機為代表的攝影測量成果也使得人們不再滿足于使用二維平面數(shù)據(jù)，而是對空間地理數(shù)據(jù)可視化、完整性地表達(dá)提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的無人機航空攝影測量往往只能得到正攝投影圖（DOM），再通過CAD、3Dmax人工建模，這種方式在工作周期、成本、空間表達(dá)上和可視化程度上都有諸多局限。利用傾斜攝影測量可以得到不同角度的空間地理信息數(shù)據(jù)并以DOM、DLG等多種格式輸出，同時采集時間短、工作效率高。后期可采用精細(xì)化三維模型對真實三維空間實體場景位置進行可視化表達(dá)。精細(xì)化實景三維模型在真實表達(dá)出地理實體位置、性狀和表面紋理等方面具有優(yōu)勢，采用無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集，并使用實景三維模型后期處理的方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)[2]建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害、旅游和安全管理等領(lǐng)域。實景三維建模將是攝影測量學(xué)發(fā)展的新趨勢，其成果在智慧園區(qū)中進行應(yīng)用也是領(lǐng)域當(dāng)前研究的熱門話題之一。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于建模方法方面，根據(jù)模型的精細(xì)化程度及原始數(shù)據(jù)來源的不同，三維模型構(gòu)建方法大致可分為：基于二維矢量數(shù)據(jù)、基于激光雷達(dá)技術(shù)和基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維模型構(gòu)建。

（1）基于二維矢量數(shù)據(jù)方面，其方法基于二維地圖進行拉伸[3]，效果失真且工作量大，和激光雷達(dá)與傾斜攝影相比不具備優(yōu)勢。

（2）基于激光雷達(dá)方面，已經(jīng)形成很多成果，應(yīng)用于三維景觀[4]、公路勘測設(shè)計[5]和城市三維建模[6]中。表面缺乏紋理信息，立體感效果有局限。

（3）傾斜攝影測量技術(shù)方面，利用無人機傾斜角度獲取具有重疊的影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)影像的空間位置姿態(tài)，從而建立空間地理實體的三維模型。作業(yè)方式簡單、效率高及適合大范圍區(qū)域建模。精細(xì)化三維實景模型在城市建設(shè)中被廣泛采用[7-10]。

2 傾斜攝影測量

攝影測量學(xué)是利用航攝儀拍攝的影像，通過像點與地面點之間的關(guān)系確定地位的三維坐標(biāo)。通過影像的幾何信息進行模型重建，從而確定相應(yīng)地位點的位置，如圖1所示。

圖1 攝影測量原理

無人機傾斜攝影測量技術(shù)近年來發(fā)展迅速。其原理如圖2所示，其通過在同一飛行平臺上搭載多視角航攝儀，目前最常用的是五鏡頭攝像機，可以同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同視角來同步采集影像[11]，采集同時可以記錄航高、坐標(biāo)參數(shù)，可以獲取不同角度的建筑物紋理。對比傳統(tǒng)的正射投影圖只能獲取1個方向的平面數(shù)據(jù)，多角度的拍攝更具有立體感，為之后的三維實景建模提供了豐富的數(shù)據(jù)。

圖2 傾斜攝影測量

3 數(shù)據(jù)獲取

無人機傾斜攝影測量原理如圖3所示，無人機傾斜攝影測量的技術(shù)流程如圖4所示，包括測區(qū)勘察、無人機及相機選取、像控點布設(shè)、像控點測量、航測任務(wù)設(shè)計和傾斜影像數(shù)據(jù)獲取等步驟。

圖3 傾斜攝影測量原理

圖4 無人機傾斜影像獲取流程

3.1 測區(qū)概況

以甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州校園內(nèi)部為實測建模區(qū)。學(xué)院位于蘭州市七里河區(qū)晏家坪街道。學(xué)院占地面積312畝（1畝約等于667 m2），建筑面積18.2萬m2。測區(qū)地物主要包括道路、教學(xué)樓、宿舍樓和體育館等建筑物，以及操場等，地勢相對平坦，飛行難度低。

3.2 無人機及相機參數(shù)

使用大疆精靈4為飛行設(shè)備如圖5所示，飛行參數(shù)見表1，相機參數(shù)見表2。

表1 飛行參數(shù)

表2 相機參數(shù)

圖5 大疆精靈4

3.3 航線任務(wù)書設(shè)計

（1）首先應(yīng)明確任務(wù)需求，包括數(shù)據(jù)成果精度、參數(shù)等要求，并向當(dāng)?shù)乜沼蚬芾聿块T完成空域申請。

（2）通過地形圖及現(xiàn)場踏勘，獲取測區(qū)基本數(shù)據(jù)，包括面積、海拔和高差。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行無人機及相機選取、像控點布設(shè)和航線設(shè)計。

（3）像控點的布設(shè)一般采用均勻布設(shè)的方式，布設(shè)距離與攝影基線長度及個數(shù)有關(guān)，具體關(guān)系見表3。

表3 像控點布設(shè)距離與攝影基線的關(guān)系

可知相機像元尺寸為0.012 mm，比例尺為1∶500，相機焦距設(shè)置為35 mm，計算航行高度，根據(jù)地面分辨率GSD公式可得

式中：f為相機焦距；GSD為影像地面采樣距離，即每毫米所能辨別的黑白相隔的線對數(shù)，線對/mm；a為像元大小。

則飛行高度為H=175 m。試驗區(qū)內(nèi)建筑分布密集度不高，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定和大疆精靈4航攝設(shè)備精度要求，航向重疊度設(shè)置為60%，旁向重疊度設(shè)置為50%。

4 三維建模

無人機傾斜影像獲取技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 無人機傾斜影像獲取技術(shù)流程

無人機傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)處理過程就是首先將外業(yè)所得數(shù)據(jù)進行整理，通過篩選不合格數(shù)據(jù)，以及對圖片勻色光預(yù)處理，將下一步處理的圖片篩選出來。按照設(shè)計航線獲取的具有一定航向和旁向重疊度的影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)影像間的立體關(guān)系以構(gòu)建實景三維模型。包括畸變校正等預(yù)處理、多視影像密集匹配、聯(lián)合平差及紋理映射等。

采用軟件Context Capture處理外業(yè)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)影像，導(dǎo)入遙感影像，進行三維模型重建。后期可以使用Dp Modeler進行三維模型優(yōu)化，表面紋理、填補凹陷和角度扭轉(zhuǎn)。完成后試驗區(qū)實景三維建模效果如圖7所示。效果逼真，達(dá)到智慧校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 無人機試驗區(qū)三維建模效果圖

5 結(jié)束語

使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，通過Context Capture進行三維實景建模，其成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)等建設(shè)中，三維實景精細(xì)化建模成果以其可媲美真實的模型造型，將成為未來攝影測量與遙感的熱點。