融合北斗高精度定位的實景三維構建方法研究

陳麗紅 朱琳

（新蔡縣自然資源局，河南 新蔡 463500）

1 引言

隨著數字城市技術的逐步發展，三維建模可視化技術被廣泛應用到各個領域。此技術不僅能為人們提供良好的視覺體驗，還具有巨大的實用價值，在文物保護、建筑物測繪以及園林管理中擁有廣闊的發展前景[1,2]。三維建模技術是一種較為重要的虛擬現實技術， 在實景模型構建過程中，精準的空間位置與真實的場景紋理信息缺一不可。通過對大量圖片素材進行渲染，可以構建三維場景模型，但是如何獲取高精度原始圖像成為此技術的難點[3,4]。

在以往的研究中，大多數學者將無人機傾斜攝影測量技術用于三維實景建模中，使用旋翼無人機搭載傾斜數字航空攝影相機采集影像數據[3,4]，進行三維實景建模，該技術具有自動化程度高以及模型逼真的特點，但建模精度不夠高，無法滿足需求。部分研究提出融合UAV 影像與TLS 點云融合的三維實景建模技術[5,6]，運用ContextCapture 軟件對影像加密后點云和激光密集點云進行融合建模，融合后的模型整體結構完整且紋理清晰，但模型的精細度不夠高。通過本文的研究方法，能有效提高實景三維模型的精度，實現北斗高精度定位與實景三維建設的有機融合，可為類似工程提供技術參考。

2 技術方法

本文總體技術流程如圖1 所示。首先 采用北斗導航系統載波相位差分技術（RTKLIB）獲取無人機位置信息，得到 無人機精確度較高的位置數據；再結合ContextCapture 軟件對較高定位精度無人機獲取的傾斜攝影測量數據進行處理，生成實景三維模型；最后采用ModelFun 工具對三維模型的地物紋理丟失或不清晰、結構扭曲變形、水面空洞及凹凸不平等問題，進行精細化處理，生成高精度、精細化的實景三維模型。

圖1 融合北斗高精度定位的實景三維構建技術路線

2.1 基于北斗獲取無人機較高精度位置信息

載波相位差分定位精度高，廣泛用于大地測量、工程施工、航空導航、車輛定位等方面。研究采用 北斗導航系統載波相位差分技術（RTKLIB）獲取無人機位置信息，得到無人機精確度較高的位置數據[7,8]，獲取方式如圖2 所示。通過處理北斗星歷文件與觀測文件獲取所需數據即可進行差分定位，計算公式如下：

圖2 北斗獲取無人機位置信息方式

公式中，r為基站，u為用戶站，在同一時刻觀測衛星i和衛星j，則 觀測衛星i時，r和u之間的單差值為，觀測衛星j時，r和u之間的單差值為，雙差定義為某一時刻的單差差值：

2.2 無人機傾斜攝影三維建模方法

無人機傾斜攝影建模流程主要為：野外像控點布設、外業數據采集、內業數據處理以及三維模型構建。其中，外業數據采集要根據測區地貌特征，進行像控點布設和航拍路徑規劃，具體建模流程如圖3 所示。

圖3 傾斜攝影三維建模流程

2.3 實景三維優化方法

針對三維模型中存在的地物紋理丟失或不清晰、結構扭曲變形、水面空洞及凹凸不平等問題，采用大勢智慧開發的模方（Mo delFun）軟件對實景三維進行修模處理。模方是一款實景三維模型的編輯工具，可以實現Photoshop 聯動功能，對分瓦塊的obj、osgb模型進行道路置平、水面修整、標牌修補、孔洞填補、紋理編輯、測區裁切等操作，也可單次操作多個瓦塊，對實景三維模型編輯的工作流進行優化。

3 工程實驗

3.1 實驗區概況

本文利用無人機在研究區域內進行無人機傾斜攝影測量數據的采集，攝影測量的范圍為東西方向0.9km，南北方向0.6km，總航攝面積約為0.54km2，航向重疊率和旁向重疊率均設置為80%，相對航高設置為80m，實驗共獲取傾斜影像211 張，航飛路線如圖4 所示。

3.2 實驗區數據處理

首先，根據影像數據、影像對應初始定位、定姿參數，利用ContextCapture 軟件的匹配模塊進行影像匹配，獲取具有重疊區域影像的同名點坐標，構建影像間相對幾何位置關系；然后，利用外業采集的像控點坐標、影像同名點集以及影像初始定位參數，進行光束法區域網平差處理，解算實際定位參數；最后，通過ContextCapture 軟件提供的密集匹配方法獲取影像區域高精度密集點云數據，并由該點云數據生成不規則三角網，再根據紋理映射算法得到具有真實紋理信息的三維模型，生成的原始三維模型如圖5 所示。

圖5 原始實景三維模型

在所構建的原始實景三維模型中，發現模型存在部分問題及缺陷，主要如下：

（1）水面凹凸不平以及出現空洞；（2）模型中存在懸浮的碎片；（3）模型表面紋理不清晰、結構扭曲變形等。采用Mod elFun 軟件對原始實景三維模型進行優化，優化結果如圖6 所示，圖6（a）為原始實景三維模型中的水面空洞，（b）為使用ModelFun 軟件修復后的水面 ；（c）為原始實景三維模型水面不平整問題，（d）為使用ModelFun 軟件修復后的平整水面；（e）為模型當中的懸浮碎片，（f）為刪除模型中的懸浮碎片。

圖6 原始實景三維優化對比

3.3 驗證精度

為驗證本文方法的建模精度，在研究區選擇道路斑馬線角點、道路拐角、花壇、草坪拐角等8 個明顯點（YZ01～YZ08）作為三維模型實測精度檢驗點，圖7 為研究區局部測量現場精度檢驗點，表1 為研究區實地檢驗點與三維模型檢驗點坐標對比。出于保密考慮，X坐標隱藏前5 位數字，Y坐標隱藏前4 位數字。

表1 研究區實測檢驗點與三維模型檢驗點坐標對比

圖7 局部點位現場驗證

由表1 得知，模型X坐標中誤差為0.049 米，模型Y坐標中誤差為0.043 米，均小于0.15 米，符合1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量地物點平面位置精度要求。高程中誤差為0.131 米，小于0.2米，符合1∶500、1∶1000、1∶2000 地形圖航空攝影測量數字高程模型精度指南。

4 結論

本文以北斗高精度定位為切入點，采用北斗導航系統載波相位差分技術（RTKLIB）獲取無人機位置信息，利用具有較高精度位置的無人機進行攝影測量，獲取實景三維模型，不僅呈現真實的場景紋理信息，還具有精準的空間位置，其成果可廣泛用于新農村規劃、城市建模、城市規劃、城市管理等方面。