面向復(fù)雜體型建筑物的無人機傾斜攝影航線規(guī)劃研究

摘要為解決復(fù)雜體型建筑物存在拍攝盲區(qū)較多、影像采集分辨率差異較大而導(dǎo)致建模效果差的問題，本文提出一種無人機立體環(huán)繞式攝影與精細化建模方法．選用單鏡頭小型多旋翼無人機，根據(jù)復(fù)雜建筑物外觀形態(tài)，設(shè)計出立體環(huán)繞式的影像采集航線，再將獲取影像導(dǎo)入Context Capture軟件進行分析和處理并完成模型建立，最后針對三維模型存在紋理缺失及模糊拉花等問題，使用DP-Modeler和3ds Max對模型進行聯(lián)動修飾．以某公園內(nèi)兩相鄰建筑物為研究對象，分別采用本文方法與傳統(tǒng)無人機傾斜攝影方法，從建模效率、模型精度和紋理細節(jié)3方面進行對比實驗．結(jié)果表明，本文方法具有建模效率高、精度高和紋理豐富的優(yōu)點，提升了復(fù)雜體型建筑物建模的質(zhì)量和效率，聯(lián)動修飾解決了影像采集過程中信息缺失的問題，可以顯著提升模型細節(jié)質(zhì)量．

關(guān)鍵詞無人機;立體環(huán)繞式;復(fù)雜體型建筑物;航線規(guī)劃;三維建模

中圖分類號TP79;V279 文獻標志碼A

1中國民用航空飛行學(xué)院航空電子電氣學(xué)院，廣漢，618307

0 引言

近年來，從數(shù)字地球到智慧地球的發(fā)展，引發(fā)了智慧城市建設(shè)的熱潮［1］．建筑物的實景三維建模是智慧城市建設(shè)的重要部分，建立具有真實紋理的城市三維模型擁有巨大價值．目前常用的實景三維建模方法依賴于傳統(tǒng)的3ds Max、CAD等建模軟件，完全依賴于人工繪制模型與紋理貼圖［2］，過程較為繁瑣，與真實的地物信息存在較大差異．在智慧城市技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對建筑物建模需要保持良好真實性［3］，對于大范圍、大區(qū)域的城市和復(fù)雜體型的建筑物三維模型的構(gòu)建，需要考慮到精細化程度、效率和性價比等因素，而傳統(tǒng)的建模軟件難以滿足．

隨著無人機傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，以多角度采集高分辨率、大范圍的傾斜影像數(shù)據(jù)成為建立精細化實景三維模型首選方法．在線實景三維建模對信息傳輸和硬件性能要求較高，成本過大，實用性低，因此并沒有被廣泛研究和使用．對建筑物進行拍攝后離線建模往往是一個更好的選擇［4-7］．該方法搭載單鏡頭或多鏡頭攝像機，從多個角度獲取地物信息，后期離線快速生成三維模型．隨著離線建模技術(shù)的發(fā)展，缺點和不足也逐漸顯現(xiàn)，如：對于地物遮擋區(qū)域、復(fù)雜體型建筑物，其紋理細節(jié)較為復(fù)雜，影像數(shù)據(jù)難以獲取，存在影像數(shù)據(jù)獲取盲區(qū)，建模難度較大;多鏡頭航攝儀價格昂貴，對于個人或小單位作業(yè)而言，成本太高，只能通過單鏡頭模擬多鏡頭的方式進行數(shù)據(jù)獲取，但無人機飛行時長往往受到電池容量限制，從而導(dǎo)致信息采集不完整，影響建模效果．因此，目前針對復(fù)雜體型建筑仍然缺乏合理的無人機實景建模方法．

無人機傾斜攝影技術(shù)具有快速高效、自動化程度高及低成本等優(yōu)勢．如果僅是對建筑群粗略建模通常是不需要進行模型修飾的，如不動產(chǎn)面積計算、土方量計算、樓房外觀基本信息統(tǒng)計等，但本文針對單體建筑物建模的目標是模型越精細越好，而優(yōu)化航線規(guī)劃盡管可以提升建模效率和精度，但始終無法避免影像采集中存在建筑物側(cè)面模糊拉花，以及大面積水域、玻璃等信息缺失的問題．為進一步提高模型細節(jié)質(zhì)量，通常需要使用修模軟件對建筑物模型進行修飾，對模型進行精細化處理，如：文獻［8］使用DP-Modeler對三維模型存在道路不平整處、大面積水域鏤空以及古建筑細節(jié)處模糊等問題進行修飾;文獻［9］使用DP-Modeler對青海省某居民樓建筑與地面的三維模型存在融合不好等問題進行修飾;文獻［10］使用3ds Max對河南省鄭州市高新區(qū)某一建筑群落存在三維模型側(cè)面出現(xiàn)扭曲等問題進行修飾．通過對信息缺失區(qū)域進行模型修飾處理，不僅可以省去大量時間和精力進行補拍，還可提高模型整體細節(jié)質(zhì)量以達到更優(yōu)的模型效果．

本文提出一種立體環(huán)繞航線方式的傾斜攝影方法，選用大疆精靈phantom 4 Pro V2.0無人機設(shè)備，該設(shè)備具有方便靈活、成本低、可控性好等特點．選擇一個真實場景下某公園內(nèi)兩個相鄰的復(fù)雜體型建筑物進行拍攝后脫機離線場景建模實驗，并從建模效率、建模精度、紋理部分等與傳統(tǒng)航線方式的傾斜攝影方法進行對比．最后通過DP-Modeler和3ds Max聯(lián)動對實景三維模型中紋理缺失和模糊拉花的部分進行模型修飾［11］，以達到模型精細化的效果．

1 復(fù)雜體型建筑物的三維建模方法

本文采用基于無人機立體環(huán)繞航線方式的實景三維建模過程包括航線規(guī)劃、影像獲取、數(shù)據(jù)處理等過程，流程如圖1所示．

1.1 航高及航攝儀傾角對地面分辨率的影響

無人機以任意角度、高度獲取影像的示意如圖2所示．O為對焦點，H為航高，f為焦距，α為相機視場角的一半，θ為相機傾角，a′為影像分辨率最小點，b′為影像分辨率最大點．

航高計算公式如下：

式中：H為相對攝影基準面的航高，單位為m;f為鏡頭焦距，單位為mm;RG為地面分辨率，單位為m;a為像元尺寸，單位為mm．

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系推算出影像最大最小分辨率，計算公式如下：

對于低空無人機攝影，影像的傳感器參數(shù)一定，焦距（f）與像元尺寸（a）固定不變，所得影像地面分辨率與無人機航高存在一定關(guān)系，航高越低，地面分辨率越高［12］，成像質(zhì)量也越好，重建的模型精度相對較高．因此，在對復(fù)雜體型建筑物的三維建模中，需要針對不同高度建筑物設(shè)置不同的航高，保證采集到的影像具有較為統(tǒng)一的地面分辨率，為后期建模提供基礎(chǔ)保障．

航攝儀傾角的設(shè)置不同，將直接影響到獲取影像的分辨率、覆蓋范圍等，獲取影像分辨率的差異將影響到后期影像特征點提取數(shù)量、多視影像密集匹配精度以及三維模型紋理的清晰度．航攝儀傾角增大，影像分辨率和影像覆蓋范圍也逐漸增大，視野內(nèi)物體較多，使得影像中被拍攝物體的分辨率差別較大，因此航攝儀的角度不宜過大．

1.2 傳統(tǒng)航線的傾斜攝影測量技術(shù)

傳統(tǒng)的無人機傾斜攝影從5個角度獲取影像，即通過1個垂直視角、4個傾斜視角（45°）對建筑物進行數(shù)據(jù)采集，獲取建筑物頂部及側(cè)面的紋理信息［13］．無人機以固定的高度在建筑物上方采用航帶網(wǎng)式航線規(guī)劃［14］進行拍攝．由于無人機在拍攝時高度固定、相機角度固定，因此易存在拍攝盲區(qū)，降低建筑物信息采集的完整性，尤其是對復(fù)雜體型建筑物，影響三維建模的質(zhì)量［15］，如圖3所示．因此本文提出一種立體環(huán)繞航線規(guī)劃方式對建筑物進行三維建模，通過調(diào)節(jié)無人機的云臺，實現(xiàn)對建筑物多角度、多高度的影像采集，以獲得更加全面清晰的影像，提高三維建模的精度．

1.3 復(fù)雜體型建筑物的立體環(huán)繞航線規(guī)劃

針對復(fù)雜體型建筑物的特點，傳統(tǒng)航線方式因高度固定、角度固定存在較多拍攝盲區(qū)的問題，本文提出一種適應(yīng)性更好的立體環(huán)繞航線方式，采用根據(jù)地物各部分的高度設(shè)計不同航高的思想：對高度相對統(tǒng)一的區(qū)域設(shè)置相同航高，相同航高的相鄰區(qū)域的環(huán)繞圓相互重疊;對復(fù)雜體型建筑較高的部分則設(shè)置更高的航高，讓相機的主光軸始終對準建筑物的中上部，拍攝時的焦點聚焦于中上部，使得采集到的復(fù)雜體型建筑物地物上下部分影像的地面分辨率較為均勻．如圖4所示，第1層環(huán)繞圓以矮棟建筑物和相機角度為基準，第2層環(huán)繞圓高度以建筑物高度差和相機角度為基準，為保證分辨率相同，第3層與第2層高度相同，以此類推，對復(fù)雜體型建筑進行分層立體式環(huán)繞．此拍攝方案具有多高度、多角度等特點，大大減少了傳統(tǒng)航線方式存在的盲區(qū)范圍，因此采集的影像更加全面，為后期的模型效果提供保障．

立體環(huán)繞航線方式是以一種環(huán)繞拍攝的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的航帶網(wǎng)式航線采集地物影像的方案，可以根據(jù)建筑物的特征，設(shè)置不同的航高、環(huán)繞飛行半徑、航攝儀角度等參數(shù)控制獲取影像的地面分辨率、覆蓋范圍等．相對于傳統(tǒng)航線的無人機傾斜攝影從5個角度獲取影像，該方法可以有效消除圖3所示的拍攝盲區(qū)．

通過實地勘探，全方位了解建筑物的長、寬、高，以此作為基礎(chǔ)，大致勾勒出建筑物的形狀，計算建筑物相對高度大致相同區(qū)域的環(huán)繞半徑Rn和航高Hn，計算公式如下：

式中，ln、wn、hn分別為同一高度區(qū)域建筑物的長、寬、高，θ為相機傾角．

對于建筑物相對高度不同區(qū)域，航高與環(huán)繞半徑需分開進行計算，當Hngt;ln時停止計算．

1.4 數(shù)據(jù)處理

采集的建筑物影像需要處理生成建筑物的實景三維模型，Context Capture軟件自動化程度高、無需人工干預(yù)，能夠高精度高效率地完成建模工作．影像間的相對位置通過空中三角計算確定，POS數(shù)據(jù)求解精確外方位元素與地面坐標，根據(jù)密集匹配算法進行點云密集匹配，由匹配到的密集點云生成三維三角網(wǎng)表面模型，并將網(wǎng)格表面進行自動紋理映射，進而得到具有真實視覺效果的可視化實景三維模型．

1.5 模型精細化處理

在影像獲取時，由于照片在空中拍攝，不可避免會出現(xiàn)一些區(qū)域存在信息缺失的情況;由于空三加密在大面積水域、光滑路面、玻璃面等區(qū)域有較多的粗差點等［16］，使得實景三維模型存在紋理缺失［17］、模糊拉花及瓦片缺失等問題．這些問題若通過不斷增加航拍重疊率解決［4］，不僅花費大量時間，而且會導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，模型效果也不會得到很大的改善．因此，需要使用修模軟件對模型進行修飾．本文采用DP-modeler與3ds Max軟件聯(lián)動進行模型修復(fù)，對模型進行精細化處理．利用3ds Max的曲面造型能力，結(jié)合DP-modeler的自動紋理貼圖能力，對建筑物不規(guī)則區(qū)域進行修飾，進而提高三維建模的精度．聯(lián)動模型修復(fù)流程如圖5所示．

2 復(fù)雜體型建筑物的三維建模實驗

2.1 實驗設(shè)備及對象

實景三維建模的實驗對象是某公園內(nèi)兩棟緊鄰且高矮落差較大的復(fù)雜體型建筑物，如圖6所示．通過測量，獲取兩棟建筑物的長寬高分別為4.8 m、4.8 m、21.08 m和16.02 m、16.46 m、11.48 m．其中：較高的一棟呈現(xiàn)細長的立柱狀，其四面均為玻璃;較矮的一棟為立方體狀，其兩面為玻璃，另外兩面為紅色磚和混凝土搭建的墻面．兩建筑物之間相鄰很近，中間僅有一條寬約為3.46 m的縫隙．將兩棟房子近似看作一個長方體整體，其長為24.28 m，寬為16.46 m，高為21.08 m．

無人機選用大疆Phantom 4 PRO V2.0，搭載2 000萬像素的相機，像元大小為2.345 27 μm，焦距為8.534 8 mm，云臺可調(diào)節(jié)的角度為-90°～30°．航線規(guī)劃選用DJI GS Pro軟件，根據(jù)地物特征進行航線定制，擁有航拍環(huán)繞模式、智能航點模式，可滿足多種場景的需求．

2.2 實驗數(shù)據(jù)獲取

1）傳統(tǒng)航線的傾斜攝影方式

采用DJI GS Pro軟件進行5架次的航攝方案．由于所拍攝的照片需要完全覆蓋建筑物的信息，將航高設(shè)置為25 m，無人機的航向重疊率和旁向重疊率均設(shè)置為85％，飛行速度5 m／s，無人機從5個角度進行拍攝，航攝時間39 min，拍攝航片數(shù)量562張，如圖7所示．

2）立體環(huán)繞航線的傾斜攝影方式

根據(jù)所需建模建筑物的實際情況，設(shè)置合適的航線參數(shù)，如表1所示．無人機的航向重疊率和旁向重疊率均設(shè)置為85％，拍攝照片數(shù)量313張，飛行時間27 min，飛行速度5 m／s，如圖8所示．同時在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置8個控制點并測量其坐標．

2.3 實驗結(jié)果

數(shù)據(jù)分別由無人機基于傳統(tǒng)航線與立體環(huán)繞航線的傾斜攝影方式獲取，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得完整的建筑物三維模型，圖9a、9b、9c分別為基于傳統(tǒng)航線方式采集的影像被處理后生成相應(yīng)的三維TIN白模模型、三維TIN網(wǎng)構(gòu)建、三維建模效果，圖10a、10b、10c分別為基于立體環(huán)繞航線方式采集的影像被處理后生成相應(yīng)的三維TIN白模模型、三維TIN網(wǎng)構(gòu)建、三維建模效果．

對比圖9和圖10可知，立體環(huán)繞航線方式三維模型效果圖的紋理細節(jié)比傳統(tǒng)航線方式更加豐富．

3 建模效率與質(zhì)量分析

3.1 三維建模效率

建模效率從圖像數(shù)量和數(shù)據(jù)處理時間兩個方面進行分析，數(shù)據(jù)處理的計算機環(huán)境為CPU（AMD Ryzen 5 3600X）、GPU（2080Super）、內(nèi)存（16 GB）．無人機三維建模效率分析主要分為外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集耗時和內(nèi)業(yè)三維建模耗時，如表2所示．

3.2 模型精度分析

本文對比控制點的實測值與模型量測值進行精度分析．將外業(yè)實測的8個控制點量測值與內(nèi)業(yè)在三維模型上的點位誤差進行對比，表達式如下：

式中：μx、μy、μz分別為控制點在x、y、z方向上的點位坐標誤差;μw為整體點位誤差;（xo，yo，zo）為外業(yè)測量坐標，（xi，yi，zi）為內(nèi)業(yè)采集坐標;n表示控制點個數(shù)．

兩種航線規(guī)劃方式在x、y、z方向上的差值如圖11所示，誤差范圍用（均值±標準差）來描述統(tǒng)計結(jié)果．基于立體環(huán)繞航線與傳統(tǒng)航線方式的三維模型在x軸方向上，點誤差范圍分別是（0.023±0.009） m、（0.046±0.019） m;在y軸方向上，點誤差分別是（0.001±0.012） m、（0.020±0.009） m;在z軸方向上，點誤差分別是（0.012±0.008） m、（0.001±0.014）m．由表3可知：在x軸、z軸方向上立體環(huán)繞航線方式的建模方法優(yōu)于傳統(tǒng)航線;在y軸方向上，傳統(tǒng)航線方式的建模方法要優(yōu)于立體環(huán)繞航線．就整體點誤差而言，立體環(huán)繞航線方式的建模方法要優(yōu)于傳統(tǒng)航線，但兩種建模方法總體誤差較小，在總體精度上相當．兩種采集模式均屬于同一系統(tǒng)，因而具有相同的系統(tǒng)誤差，但由于采集模式不同，不同的數(shù)據(jù)量以及拍攝角度差異，導(dǎo)致誤差的存在．

3.3 紋理細節(jié)對比

選取具有代表性的局部建筑物區(qū)域，由圖12可知，基于傳統(tǒng)航線的三維模型具有較多的紋理缺失．對比圖12a和12d，基于傳統(tǒng)航線的三維模型出現(xiàn)墻面漏洞、紋理拉花現(xiàn)象，而基于立體環(huán)繞航線的三維模型則能夠完整地展示墻面信息;對比圖12b和12e，由于傳統(tǒng)航線方式飛行高度固定，在屋檐處會存在拍攝盲區(qū)，存在較多紋理缺失，而立體環(huán)繞航線方式由于能夠多高度地拍攝，有效減少拍攝盲區(qū)，故能展示較多地紋理細節(jié);對比圖12c和12f，建筑物的玻璃面反光較強，兩種建模方法都出現(xiàn)鏤空，缺失較多細節(jié)．因此，立體環(huán)繞航線方式的傾斜攝影建模方法在紋理細節(jié)上優(yōu)于傳統(tǒng)航線方式．

4 實景三維模型精細化處理

由上文可知，基于立體環(huán)繞航線方式的三維模型出現(xiàn)了玻璃空洞以及紋理拉花，需要對該區(qū)域進行精細化處理．選擇需要修補空洞的范圍并確定待修補的基準面，修補空洞進行紋理映射，并使用3ds Max對紋理細節(jié)修飾;出現(xiàn)紋理拉花模糊的地方，使用原始照片、實地補拍照片或其他紋理進行替換，使得房屋側(cè)面紋理更加清晰美觀．對立體環(huán)繞航線方式的模型中玻璃面空洞部分及墻面紋理拉花部分進行模型精細化處理，模型精細化處理前后對比如圖13所示．

通過對比模型精細化處理前后效果可以看出，在不考慮時間成本的前提下，對三維模型中有瑕疵的部分進行模型精細化處理，可以有效地提高三維模型整體細節(jié)質(zhì)量，使得三維模型更加真實．

5 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜體型建筑物的實景三維建模問題，選用單鏡頭小型多旋翼無人機，提出一種基于立體環(huán)繞航線方式的傾斜攝影方法．相對于傳統(tǒng)航線的傾斜攝影方法，立體環(huán)繞航線方式的傾斜攝影方法的優(yōu)點如下：1）采用較少的影像構(gòu)建精確、完整的三維模型，提高了建模的效率;2）構(gòu)建的模型精度高，能保證模型的完整性;3）解決了對復(fù)雜體型建筑物三維建模時存在攝影盲區(qū)和對其紋理細節(jié)區(qū)域建模效果差的問題;4）有效提高了無人機針對建筑物實景三維建模的效率和質(zhì)量．此外，對三維模型進行模型修飾處理，解決了模型中紋理缺失、模糊拉花及瓦片缺失等問題，有效提高了三維模型的細節(jié)質(zhì)量和展示效果．

為提高建模精度，在導(dǎo)入Context Capture之前可以先對拍攝的圖像進行預(yù)處理，使圖像的色彩、色調(diào)一致，對畸變的圖像進行矯正．對于建模效果差的區(qū)域，還可以進行重新拍攝圖像進行補充．對復(fù)雜體型建筑物使用無人機立體環(huán)繞三維建模，在保證建模質(zhì)量的前提下，還可以對無人機航線規(guī)劃以及像控點數(shù)量進行進一步優(yōu)化．

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Route planning of UAV tilt photography for complex buildings

LIU Jiajia1 WEI Qi1

1Institute of Electronic and Electrical Engineering，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307

Abstract To solve the poor modeling performance caused by many blind areas and large difference in image resolution for complex buildings，a 3D surround photography and refined modeling approach is proposed for UAV photography.First，a 3D surround image acquisition route is designed for a small single-lens multi-rotor UAV according to the appearance of complex buildings.Then the acquired images are imported into Context Capture software，which are analyzed and processed for model establishment.Finally，DP-Modeler and 3ds Max are used to modify the model so as to solve the information missing such as lack of texture and fuzzy drawing.The proposed approach is then compared with traditional UAV tilt photography in modeling efficiency，model accuracy and texture details with two adjacent buildings in a park as research object.The results show that the proposed method has the advantages of high modeling efficiency，high precision and rich texture，improves the quality and efficiency of complex building modeling，solves the information missing in image acquisition via combined modification，and significantly improves the quality of model details.

Key words UAV;3D surround;complex buildings;route planning;3D modeling

收稿日期2022-08-17

資助項目中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（J2023-024）

作者簡介劉佳嘉，女，碩士，副教授，研究方向為航空電子、圖像處理.cafucljj@163.com