起伏地形下基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的校園三維實(shí)景精細(xì)模型建立

摘" 要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建的三維模型具有真實(shí)、不受模型形狀和地形地貌的限制、生成速度快等優(yōu)點(diǎn)。該文以北華大學(xué)東校區(qū)為例，采用基于五鏡頭的無(wú)人機(jī)航空傾斜攝影技術(shù)對(duì)地形高低起伏的校園進(jìn)行三維實(shí)景精細(xì)模型的構(gòu)建，并進(jìn)行精度評(píng)定。此模型可以輸出建筑物頂面和立面的數(shù)據(jù)及各個(gè)建筑物的具體位置，同時(shí)具備測(cè)距、定位等地圖基礎(chǔ)功能。后續(xù)可基于此校園三維實(shí)景模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立數(shù)字校園三維可視化平臺(tái)，為智慧校園的建設(shè)提供底層數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：起伏地形；無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；三維建模；精度評(píng)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TU198.2" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0046-04

Abstract： The three-dimensional （3D） model constructed by UAV oblique photography has the advantages of being real， not limited by model shape and topography， and fast generation speed. In this paper， taking the East Campus of Beihua University as an example， the UAV aerial oblique photography technology based on five lenses is used to construct a three-dimensional fine model of the undulating campus， and the accuracy is evaluated. This model can output the data of the top and facade of the building， as well as the specific location of each building， and has the basic map functions such as ranging and positioning. Subsequently， we can carry on the secondary development based on this campus 3D real scene model， establish the digital campus 3D visualization platform， and provide the underlying data support for the construction of the intelligent campus.

Keywords： undulating terrain; UAV; oblique photography; three-dimensional （3D） modeling; accuracy evaluation

隨著人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等高新技術(shù)在各所高校中的廣泛應(yīng)用，在高校信息化發(fā)展的過(guò)程中智慧校園的建設(shè)已經(jīng)成為其重要組成部分[1]。而在學(xué)校里開(kāi)展教學(xué)、實(shí)踐活動(dòng)以及師生的課余生活都離不開(kāi)各種建筑設(shè)施，因此高精度的校園地理信息，即校園的三維實(shí)景精細(xì)模型是建設(shè)智慧校園的底層支撐平臺(tái)。而三維模型的完整度、精確度、真實(shí)性、建模成本和速度都是決定成果質(zhì)量的重要因素[2]。以往在建立三維模型的時(shí)候，通常是依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃圖紙或拍攝的圖像，使用3DMax等常規(guī)的建模軟件，再輸入人工測(cè)量的平面和高程坐標(biāo)信息來(lái)完成[3]。但是這種建模方式的成本高、效率低，易受地形地貌等因素的影響，無(wú)法精確地、真實(shí)地反映測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，并不適合復(fù)雜三維模型的建立。與傳統(tǒng)方法相比，無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以設(shè)置不同的方向?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)進(jìn)行圖像的獲取，這樣可以高效、不受地形限制、多角度地收集建筑物頂面、側(cè)面的高分辨率紋理等信息來(lái)進(jìn)行三維實(shí)景模型的建立[4-5]。它主要依賴(lài)于掛載的傾斜載荷模塊，即高分辨率的多鏡頭相機(jī)，累計(jì)像素超過(guò)一億，可以獲得高質(zhì)量的攝影圖像。為了多角度的拍攝，傾斜攝影選擇正面、左側(cè)、右側(cè)、前方和后方共5個(gè)方向進(jìn)行圖像采集，每個(gè)方向需要一個(gè)相機(jī)鏡頭，因此共需要搭載5個(gè)鏡頭，以此獲取各種建筑物的紋理信息，再將其導(dǎo)入相應(yīng)的軟件，最終建立完整的三維模型[6-7]。它突破了傳統(tǒng)航測(cè)只拍攝下視影像的局限，是對(duì)航測(cè)理論與實(shí)踐的革命性創(chuàng)新。利用傾斜攝影技術(shù)，可以從影像中提取地物空間位置、建筑結(jié)構(gòu)、色彩與紋理等信息，能夠直觀地從三維模型上判讀河流、湖泊、山川、道路和建筑物等地物和地貌，實(shí)景三維建模是傾斜攝影最重要的應(yīng)用方向。伴隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，傾斜攝影建模技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)字城市建設(shè)、地籍測(cè)量、礦山監(jiān)測(cè)、地形圖測(cè)繪和古建筑保護(hù)等領(lǐng)域[8-10]。但是其中測(cè)量區(qū)域的地形多數(shù)是近于水平的，對(duì)起伏地形下的傾斜攝影三維建模的研究則比較少見(jiàn)。而且起伏地形下三維模型的精度也需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

本文以北華大學(xué)東校區(qū)為例，使用掛載5個(gè)鏡頭的無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，建立了地形高低起伏的校園三維實(shí)景精細(xì)模型，并對(duì)模型的精度進(jìn)行了評(píng)定。此模型細(xì)節(jié)清晰、紋理真實(shí)、生成速度快，具有定位、測(cè)距、測(cè)量面積和周長(zhǎng)、土石方量計(jì)算及方位角測(cè)量等功能。后續(xù)可基于此模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立智慧校園三維可視化平臺(tái)，為智慧校園的建設(shè)提供底層數(shù)據(jù)支撐，對(duì)高校的管理和決策都有著重要的意義。

1" 傾斜攝影三維建模基本原理

傾斜攝影測(cè)量三維建模以?xún)A斜影像為數(shù)據(jù)源，集成傾斜影像與下視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算，構(gòu)建三維環(huán)境，可彌補(bǔ)單一視角數(shù)據(jù)遮擋、紋理不豐富、多余觀測(cè)不足等局限。實(shí)景三維建模的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)預(yù)處理、傾斜影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、點(diǎn)云密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射及三維建模等。其中，關(guān)鍵點(diǎn)是傾斜影像聯(lián)合平差、紋理映射和實(shí)景三維模型自動(dòng)構(gòu)建。實(shí)景三維模型讓用戶(hù)可以從不同角度瀏覽同一地物，可真實(shí)地表達(dá)地物周邊環(huán)境。由于傾斜攝影實(shí)現(xiàn)了多個(gè)角度觀測(cè)，同一地物在影像中存在上百次的多余觀測(cè)，紋理豐富，通過(guò)計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)紋理的智能提取與映射，能夠大大提高三維建模的效率。與傳統(tǒng)三維建模相比，傾斜攝影三維建模目視效果更逼真。

2" 傾斜攝影三維模型建立

2.1" 測(cè)區(qū)概況

本研究選擇的測(cè)區(qū)為北華大學(xué)東校區(qū)，坐落在吉林省吉林市豐滿(mǎn)區(qū)， 東經(jīng)126°61′，北緯43°84′。校區(qū)占地面積為0.52 km2，建筑面積為0.39 km2，平均海拔約340 m。校園內(nèi)的地物主要為教學(xué)樓、宿舍樓、食堂、道路、操場(chǎng)、花壇、草地、山坡和水系等。測(cè)區(qū)西側(cè)臨近松花江，從地形上來(lái)看，整個(gè)校園均處于河流階地之上。因此，校園內(nèi)部地勢(shì)高低起伏較大，西側(cè)低，東側(cè)高，最高處與最低處的高差最大可達(dá)55 m。傳統(tǒng)的人工測(cè)圖實(shí)施難度較大，成本較高，測(cè)量精度也有待提高。因此采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)校園進(jìn)行三維建模是更合適的。

2.2" 無(wú)人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)采集

本次測(cè)量選用的飛行平臺(tái)是中海達(dá)專(zhuān)業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)，它掛載的是微型傾斜相機(jī)，如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。其機(jī)身采用碳纖維一體模具成型，可防塵防雨，整機(jī)抗電磁干擾設(shè)計(jì)，適應(yīng)能力強(qiáng)，機(jī)臂采用插拔式快拆結(jié)構(gòu)，方便使用和維護(hù)。輕量化的機(jī)身、任務(wù)載荷設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)使其擁有高效率的動(dòng)力系統(tǒng)。微型傾斜相機(jī)集成了1個(gè)垂直和4個(gè)傾斜共5個(gè)鏡頭，適用于電動(dòng)多軸無(wú)人機(jī)執(zhí)行小范圍、高分辨率的傾斜航空攝影任務(wù)。此無(wú)人機(jī)支持全地形、航向、高度、起降智能調(diào)整，具有精準(zhǔn)懸停、勻速巡航、航線(xiàn)規(guī)劃、低電壓自動(dòng)保護(hù)和信號(hào)丟失保護(hù)等功能。

首先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)踏勘，統(tǒng)計(jì)測(cè)區(qū)內(nèi)建筑物的高程信息。從而進(jìn)行航線(xiàn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，確定航空測(cè)量的方案。使用iFly智能航測(cè)助手根據(jù)航飛參數(shù)對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。采用多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行采集，測(cè)區(qū)面積約為0.5 km2，飛行高度為120 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，在一個(gè)曝光點(diǎn)獲得5個(gè)方位的航片。垂直地面角度拍攝獲取的是垂直向下的一組影像，稱(chēng)為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的4組影像分別指向東南西北，稱(chēng)為斜片。在建立建筑物表面模型的過(guò)程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗芴峁└玫囊暯侨ビ^察建筑物側(cè)面。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到預(yù)設(shè)位置的時(shí)候，飛控系統(tǒng)會(huì)把觸發(fā)信號(hào)同時(shí)發(fā)送給掛載的5個(gè)相機(jī)，使它們同時(shí)開(kāi)始拍照。以此得到的傾斜影像數(shù)據(jù)包括相機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，進(jìn)行地面像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。設(shè)置10個(gè)控制點(diǎn)作為模型精度的驗(yàn)證點(diǎn)。主要采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)的方式，遵循空中三角測(cè)量精度準(zhǔn)則來(lái)布設(shè)地面像控點(diǎn)。在校園實(shí)地使用RTK進(jìn)行測(cè)量定位，每個(gè)像控點(diǎn)測(cè)3次取平均值，獲取其平面和高程的坐標(biāo)信息。

2.3" 圖像預(yù)處理

在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量的過(guò)程中，采用非量測(cè)型的單反相機(jī)進(jìn)行拍攝，其鏡頭畸變較大，照片邊緣變形明顯，造成像點(diǎn)、物點(diǎn)不滿(mǎn)足三點(diǎn)共線(xiàn)條件，影響空三加密和三維模型建立的精度。可見(jiàn)需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，這樣有利于減小測(cè)量誤差。首先要看經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影得到的航片有沒(méi)有曝光過(guò)度、色差明顯、圖像缺失等問(wèn)題。如果有異常，則需要做圖像增強(qiáng)、平衡色差或補(bǔ)充拍攝等調(diào)整，處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)保證整個(gè)測(cè)區(qū)整體色調(diào)一致，且單張航片不偏色。同時(shí)，需要將影像和POS數(shù)據(jù)在相應(yīng)的框架下進(jìn)行匹配，使得2種數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生映射鏈接。將采集的相同測(cè)區(qū)的POS數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序整理到同一文件上，為后期數(shù)據(jù)處理和三維實(shí)景模型的建立打好基礎(chǔ)。

2.4" 校園三維模型構(gòu)建

1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)。首先將航拍影像、像控點(diǎn)坐標(biāo)信息和POS 數(shù)據(jù)加入到對(duì)應(yīng)軟件的文件夾中。其次在航拍影像中導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。當(dāng)航片中加入POS數(shù)據(jù)后，建立一個(gè)新的工程，放入航拍影像，同時(shí)輸入焦距、像素、尺寸等參數(shù)。

2）空三加密。此過(guò)程直接決定著所建立的三維模型的精度和真實(shí)程度。首先在航片中選取特征點(diǎn)，并在軟件中進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，再根據(jù)相互間的匹配關(guān)系反推出航片的位置信息和姿態(tài)。然后評(píng)估無(wú)人機(jī)航拍影像的質(zhì)量，如果有個(gè)別的圖片質(zhì)量不符合要求，要及時(shí)刪除。如果有些區(qū)域出現(xiàn)部分像片不入網(wǎng)及空三模型錯(cuò)誤的情況，可通過(guò)在錯(cuò)誤區(qū)域周邊添加控制點(diǎn)或連接點(diǎn)的方式解決。

3）導(dǎo)入像控點(diǎn)。基于已經(jīng)解得到的航片的位置信息和姿態(tài)，像控點(diǎn)和航片會(huì)產(chǎn)生一定的關(guān)聯(lián)，因此將像控點(diǎn)導(dǎo)入到軟件中時(shí)，可以自動(dòng)、即時(shí)地在航片中進(jìn)行定位，提高三維建模的效率和精度。

4）三維模型的建立。通過(guò)空三加密可以生成不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，以此建立三維的空白模型。此時(shí)的模型并不完整，還缺少貼圖。考慮到影像都包含位置信息，因此可以將此位置信息作為媒介，使得影像可以定向地粘貼在對(duì)應(yīng)的三維空白模型的表面，達(dá)到讓紋理自動(dòng)映射的目的。本研究利用Bentley公司的ContextCapture軟件首先將測(cè)量網(wǎng)格劃分成塊，然后建立基于TIN網(wǎng)的空白模型，使得紋理自動(dòng)映射。在建立建筑物表面模型的過(guò)程中，相比垂直影像，傾斜影像有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗芴峁└玫囊暯侨ビ^察建筑物側(cè)面，這一特點(diǎn)正好滿(mǎn)足了建筑物表面紋理生成的需要。最后輸出目標(biāo)測(cè)量區(qū)域的三維高分辨率實(shí)景精細(xì)模型，此模型可以按任意視角輸出，如圖3所示。其主要功能包括輸出模型內(nèi)部任意點(diǎn)位的三維坐標(biāo)；測(cè)量任意兩點(diǎn)間的水平距離、傾斜距離和高差；測(cè)量任意區(qū)域的面積和周長(zhǎng)；土石方量計(jì)算及方位角測(cè)量等。此模型具有細(xì)節(jié)清晰、紋理真實(shí)、生成速度快及適用于起伏地形等特點(diǎn)。

2.5" 模型精度評(píng)定

為了能夠更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)建立的三維模型的精度（表2），在三維模型中和校園實(shí)地選擇了10個(gè)精度檢查點(diǎn)。首先在模型中導(dǎo)出這些檢查點(diǎn)的平面和高程的坐標(biāo)信息。其次，導(dǎo)出在校園實(shí)地使用RTK進(jìn)行測(cè)量定位而得到的像控點(diǎn)的平面和高程的坐標(biāo)信息。最后，使用以下公式計(jì)算成果數(shù)據(jù)誤差。可見(jiàn)三維模型的成果誤差都不超過(guò)0.05 m。此數(shù)據(jù)符合三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范中對(duì)于三維模型的成果誤差不超過(guò)0.2 m的精度要求。

3" 結(jié)論

本文采用基于五鏡頭相機(jī)的中海達(dá)iFly D6無(wú)人機(jī)采集了北華大學(xué)東校區(qū)的影像數(shù)據(jù)，在校園實(shí)地使用RTK對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量定位，獲取其平面和高程的坐標(biāo)信息，再將無(wú)人機(jī)導(dǎo)出的POS數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Context Capture軟件處理后，建立了高分辨率的校園三維實(shí)景精細(xì)模型。同時(shí)也表明了此建模技術(shù)適用于起伏地形條件。通過(guò)誤差計(jì)算得到模型的成果誤差都不超過(guò)0.05 m，可見(jiàn)三維建模的精度較高。后續(xù)可基于此模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，為學(xué)校的招生宣傳、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工改建、樓宇信息管理等工作提供支持，助力智慧校園的建設(shè)。然而，在實(shí)際航測(cè)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性易受天氣、風(fēng)速、溫度的影響，電池的續(xù)航時(shí)間也有待增加。相信隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，三維模型的精度和建模的效率都會(huì)得到進(jìn)一步提升。

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