無人機(jī)傾斜攝影用于江門市快速三維建模的探討

丁志廣，嚴(yán)新生，陳輝光

（江門市勘測院有限公司，廣東江門 529000）

無人機(jī)傾斜攝影用于江門市快速三維建模的探討

丁志廣*，嚴(yán)新生，陳輝光

（江門市勘測院有限公司，廣東江門 529000）

在江門市某區(qū)域快速建模生成中，利用無人機(jī)通過傾斜攝影測量技術(shù)及相關(guān)快速建模的方法用于城市三維快速建模生產(chǎn)。本文總結(jié)了一套快捷高效的適合于實際生產(chǎn)操作的技術(shù)方案，該技術(shù)方案切合實際，能顯著提高生產(chǎn)效率。特別是對于中小范圍的城市三維建模，能有效地實現(xiàn)速度和逼真度的兼顧，顯示其優(yōu)越性。

傾斜攝影測量；無人機(jī)；快速三維建模

1　引 言

構(gòu)建城市建筑三維模型用于城市規(guī)劃，是目前數(shù)字城市和智慧城市的建設(shè)熱點之一［1］，一般是基于DLG和DOM，人工拍攝建筑立面，然后通過3ds Max、Skech Up等軟件構(gòu)建三維模型，最終導(dǎo)入到各種三維平臺中，然后廣泛用于城市規(guī)劃和城市管理［2］。然而，該模式存在一些問題:如人工建模成本高，建設(shè)效率低，一般只有0.01 km2/d。為此，國內(nèi)外嘗試了多種方法來提高建模效率，大多數(shù)是利用大型飛機(jī)進(jìn)行傾斜攝影［3］。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗［4～7］，我們探索出固定翼油動無人機(jī)搭載5鏡頭微單數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影試驗，并利用Smart 3d等軟件進(jìn)行了快速建模，適合在城市中小范圍建模，相比傳統(tǒng)大型飛機(jī)，可有效節(jié)約成本，減少作業(yè)周期。

2　試驗設(shè)計

航空攝影的關(guān)鍵三要素:飛行平臺、傳感器、飛行控制（飛手和飛控）。其中，飛行平臺要根據(jù)飛行任務(wù)考慮經(jīng)濟(jì)與效益等綜合因素來選擇，傳感器要考慮相機(jī)重量和成像效果及成像效率來綜合選擇。

2.1飛行平臺

經(jīng)過多方比對和多次試驗，我們最終選用了固定翼油動力無人機(jī)作為飛行平臺，翼展 3 m，自身重量15 kg，最大起飛重量23 kg。該平臺的優(yōu)勢有:①飛行時間長，最長可以飛7個小時；②起飛距離短，對起降場地要求不苛刻，適合在城市郊區(qū)的公路上起降；③搭載重量適合本次任務(wù)，比一般的電動無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)攜帶重量多。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

飛機(jī)相關(guān)參數(shù)　表1

2.2傳感器

傳感器的選擇有很多種，根據(jù)畫幅大小及傳感器感光元件大小以及鏡頭的焦距，來選擇傳感器。經(jīng)過多次比對，最終采用了適馬DP2 merril相機(jī)進(jìn)行試驗，并選用5拼相機(jī)的組合進(jìn)行試驗，如圖1所示。

圖1　適馬DP2 merril相機(jī)及五拼架構(gòu)

相機(jī)參數(shù)如表2所示:

相機(jī)參數(shù)表　表2

2.3航高設(shè)計

根據(jù)傳感器的感光元件大小及傳感器焦距，根據(jù)攝影測量原理來反算航高，過程如下:

假設(shè)地面分辨率為95 mm，已知傳感器感光元件尺寸為24 mm×16 mm，焦距為30 mm，航高=（地面分辨率/傳感器分辨率）×焦距。即:H=（GSD/B）×f。

GSD:地面分辨率，單位m；B:CCD或CMOS分解率，單位mm；f:鏡頭焦距；單位mm。

綜上:H=（0.095/0.0051）×30=558.8 m。綜合考慮地面分辨率，航向及旁向重疊度，并根據(jù)城市實際地形特征及地面最高建筑物高度，確定560 m的航高是滿足實驗需要，且兼顧飛行安全可靠。

2.4拍攝要求

為保證建模效果，一般要求航向重疊＞80%，旁向重疊＞50%。建模對象的每個部分至少在三張單獨的照片中出現(xiàn)，且這三張照片必須是三個不同的視角拍攝，其中視角小于15°，即物體的同一部分的不同拍攝點間的分隔應(yīng)小于15°。另外，拍攝過程中需確保連續(xù)照片之間的重疊部分應(yīng)超過65%。

3　試驗實施

試驗區(qū)面積約4 km2，位于江門市北新區(qū)，區(qū)內(nèi)有江沙河、小型丘陵、工業(yè)廠房、江門市汽車總站，有商業(yè)寫字樓和小高層居民小區(qū)，還有城中村低矮建筑群，兼具城市和城市郊區(qū)特色，經(jīng)驗可同時供城市及郊區(qū)進(jìn)行三維快速建模時借鑒。

試驗區(qū)飛行時間約30 min，共采集了598張圖像，其中有80張圖像因云覆蓋圖像面積超過相片面積的50%，故在試驗中并未采用，最終參與試驗的圖像為518張。

實驗實施的主要流程及主要工作內(nèi)容如圖2所示:

圖2　生產(chǎn)詳細(xì)流程圖

其中關(guān)鍵步驟航線設(shè)計分兩次獨立設(shè)計，可以做互相檢核和參考。具體參數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3　航線設(shè)計1

圖4　航線設(shè)計2（驗證）

4　試驗結(jié)果

4.1建模效果

三維建?；臼侨詣咏?，建模成功后可得到測區(qū)的TIN模型、未貼紋理的灰度三維模型、貼圖后的實景三維模型等。結(jié)果如圖5～圖10所示。

4.2無人機(jī)用于快速建模的優(yōu)越性

（1）速度快，效率高

傳統(tǒng)人工三維建模的效率約為 0.013 km2/d，而無人機(jī)傾斜攝影快速三維建模約2 km2/d。

圖5　TIN+灰度模型

圖6　貼紋理后的實景三維模型

圖7　測區(qū)某部細(xì)節(jié)實景三維

圖8　測區(qū)某部細(xì)節(jié)TIN+灰度模型

圖9　測區(qū)某棟建筑的TIN+灰度模型

圖10　測區(qū)某棟建筑的實景三維模型

（2）更好的表達(dá)建筑結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)三維建模為了追求細(xì)節(jié)與效率的平衡，一般會將建筑物的復(fù)雜設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單化，如裁彎取直（弧形變直線）、凹凸簡化（陽臺錯落簡化成同樣風(fēng)格的陽臺）、地物取舍（如停車場變?yōu)榭盏兀蛟黾幽Ｐ推?，丟失細(xì)節(jié)）。而利用傾斜影像可以真實的記錄下航空攝影時間時的城市影像，將城市定格在攝影時間內(nèi)。建模效果如圖11、圖12所示。

對比圖11和圖12，發(fā)現(xiàn)模型基本構(gòu)建完成，尤其是該棟樓房的北側(cè)右邊的建筑設(shè)計比較復(fù)雜，樓層之間的陽臺錯落有致，但是又不盡相同，用傳統(tǒng)建模方法構(gòu)建該類型建筑，需要耗費大量人力去測量建筑形態(tài)，否則很難表達(dá)出該棟建筑的形態(tài)。

通過圖11、圖12可以發(fā)現(xiàn)，樓頂?shù)慕ㄖ考惨徊⒔⒘四Ｐ停鴤鹘y(tǒng)三維建模一般是忽略樓頂?shù)哪Ｐ秃蜕实?，在無意中會丟失很多建筑細(xì)節(jié)。

圖11　模型東北側(cè)快速建模效果

圖12　模型東北側(cè)實際照片

4.3存在問題

在試驗過程中，我們也發(fā)現(xiàn)無人機(jī)快速構(gòu)建城市三維模型也存在一些問題。具體表現(xiàn)如下:

①地面至15 m高度，三維建模效果較差。

②植被及樹蔭下遮蓋部分建模效果較差。

③大面積水體可能會有空洞。

（1）原因查找及分析

①地面至15 m高度，效果一般不理想，人視角度觀感較差?？赡艿挠绊懺蛴?傾斜攝影飛行高度一般都在200 m以上，傾斜角度在45°左右，由于城區(qū)建筑物較密集，到了建筑物底部剛好被相鄰的高樓或樹木遮擋，如圖13所示?；究床蝗踔量床坏浇ㄖ?5 m以下的部分，這就造成近地面部分往往達(dá)不到構(gòu)建傾斜攝影三維模型所需的足夠數(shù)量和質(zhì)量的照片。

②植被建模效果差，原理同上，南方多常綠喬木，遮蔽比較嚴(yán)重，且植被的建模要比建筑物幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多，故更難構(gòu)建較好的三維植被模型。

③水面空洞是由于水面進(jìn)行同名點匹配是航空攝影測量的公認(rèn)難題，沒有足夠的匹配點，水面往往有空洞或突起，需要人工編輯。

（2）解決思路及嘗試

①針對問題①和②，嘗試使用了地面輔助拍攝，在地面補(bǔ)拍一定數(shù)量的照片，增加近地面構(gòu)筑物建模的建模條件，改善其質(zhì)量。經(jīng)過筆者幾次嘗試，可能是由于采用的相機(jī)不同，焦距不同，也可能是地面采用手持拍攝，重疊度得不到比較好的保證，最終沒能通過地面補(bǔ)拍照片的方式改善建筑物近地面的建模質(zhì)量。

②針對水面進(jìn)行建模的缺陷，筆者采用AutoCAD 3DMESH輔助軟件進(jìn)行人工編輯，與編輯DEM方法類似，首先找出模型的分塊存儲的TIN文件，將其復(fù)制一份后，將明顯有誤的地方進(jìn)行改正，根據(jù)實際情況進(jìn)行補(bǔ)洞或是填平等處理，然后將編輯好的成果保存并替換首次建模TIN文件，再針對分塊的區(qū)域重新進(jìn)行三維紋理貼圖。最終可明顯改善水面空洞。

經(jīng)過試驗，我們發(fā)現(xiàn)，樹的三維效果較差，樹蔭下的部分一般無法建模，如圖14所示，丟失了地面至樹冠下的細(xì)節(jié)，如人行道和一些市政設(shè)施的信息，如電信箱、消火栓等。

第三個問題，是因為水體進(jìn)行空三匹配難度較大，在三維建模時會經(jīng)常出現(xiàn)類似問題，需要后期人工干預(yù)，如圖15所示。通過AutoCAD 3DMESH等軟件進(jìn)行漏洞插值，填補(bǔ)，然后分塊替換有漏洞的區(qū)域，重新匹配建模，最終完善三維模型。

圖13　地面至15 m高度，快速三維建模效果較差

圖14　路兩旁的綠化樹快速建模三維效果

圖15　河流中間出現(xiàn)空洞

5　結(jié)論與展望

綜上，我們認(rèn)為無人機(jī)用于小范圍快速構(gòu)建城市三維模型是可行的，在同等資金和時間成本下，無人機(jī)快速建模是優(yōu)于傳統(tǒng)人工建模的。另外，無人機(jī)快速建模在近地面（15 m以下）、綠化樹、大面積水體建模效果較差的問題，需要繼續(xù)深入研究，如利用街景或降低飛行高度后獲取的影像同無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)結(jié)合來改善近地面（15 m以下）的 三維快速建模效果；另外，可嘗試用多旋翼無人機(jī)攜帶五拼相機(jī)超低空飛行進(jìn)行三維快速建模，提高建模精度。我們將在以后的研究中進(jìn)行試驗驗證。

［1］王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣.Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在3維城市建模中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2011（3）：181～183.

［2］曲林，馮洋，支玲美等.基于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實景三維建模研究［J］.測繪與空間地理信息，2015（3）：38～39.

［3］桂德竹.基于組合寬角相機(jī)低空影像的城市建筑物三維模型構(gòu)建研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

［4］王海風(fēng)，盛艷容，馬杰.傾斜航空攝影斜視影像分辨率分析［J］.測繪與空間地理信息，2014（9）：97～100.

［5］王興慧.應(yīng)用于傾斜影像的點特征優(yōu)化提取與寬基線匹配［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)2014.

［6］姚國標(biāo).傾斜影像匹配關(guān)鍵算法及應(yīng)用研究［D］.北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

［7］李安福，吳曉明，路玲玲.SWDC-5傾斜攝影技術(shù)及其在國內(nèi)的應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代測繪，2014（6）：14～16.

The Discussion About 3D Modeling Quickly use UAV Oblique Photogrammetry

Ding Zhiguang，Yan Xinsheng，Chen Huiguang
（Jiangmen Investigation and Surveying Institute，Jiangmen 529000，China）

When JiangMen city product 3D models，oblique photogrammetry method and fast 3D modeling technology by UAV was used，a technical scheme which is suitable for the actual production was summarized.This method of modeling is pratical，can increase production efficiency.Especially for small and medium range city modeling，can effectively achieve the speed and fidelity of both，showed its superiority，and has some reference for rapid modeling of small and medium cities.

Oblique photogrammetry；UAV；fast 3D modeling

1672-8262（2016）04-72-07

P231

B

2016—03—21

丁志廣（1983—），男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要從事數(shù)字城市、攝影測量與遙感等工作。