基于消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)的城市三維建模

余忠迪， 李 輝， 巴 芳， 王朝陽

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074； 2.北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120)

0 引言

城市三維模型的構(gòu)建一直是國際遙感、地理信息系統(tǒng)及相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)。近年來，隨著“智慧城市”的迅速發(fā)展與日益普及，建立有真實(shí)紋理的三維城市景觀顯得尤其重要。目前城市三維建模技術(shù)主要有以下3種： ①基于軟件的建模技術(shù)，以大比例尺地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用三維制作軟件(如3Ds MAX等)建模，該方法能逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，但存在生產(chǎn)成本高、周期長、效率低等缺點(diǎn)[1]； ②基于傳統(tǒng)攝影測量的三維建模技術(shù)，采用航空攝影測量技術(shù)采集最新數(shù)字線劃圖(digital line graphic，DLG)二維或三維矢量數(shù)據(jù)，再利用軟件進(jìn)行建模，該方法具有自動(dòng)化程度高、建模速度快、易于實(shí)時(shí)更新等優(yōu)點(diǎn)，但是建筑物側(cè)面紋理信息需要靠其他手段來獲取構(gòu)建[2]； ③基于激光掃描的建模技術(shù)，利用激光點(diǎn)云可以快速建立物體的三維模型，但其紋理信息依舊需要靠其他手段獲取，并由人工進(jìn)行紋理貼合[3]。一定程度上，上述方法都存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、效率低等缺點(diǎn)，制約了城市三維建模的發(fā)展和推廣。

數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)因在處理大范圍場景能力以及三維重建精度方面具有無可比擬的優(yōu)勢，被認(rèn)為是目前獲取三維城市模型數(shù)據(jù)最有吸引力的方法之一。然而，傳統(tǒng)攝影測量獲取航空影像時(shí)，基本近似豎直攝影，造成航空影像上的屋頂信息豐富而墻面往往不可見。同時(shí)，建筑物稠密區(qū)域存在遮擋現(xiàn)象，也使航空影像不能有效提供建筑物側(cè)面紋理信息。傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其通過多角度組合相機(jī)，打破了以往只能垂直拍攝的局限，使航空攝影系統(tǒng)不但能獲取豎直影像，還能獲取傾斜影像，較好解決了傳統(tǒng)航空攝影獲取城市建筑物時(shí)遇到的遮擋問題[4]。利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行城市三維建模，不僅可以節(jié)省模型細(xì)部分析時(shí)間，簡化模型紋理采集和處理方法，還可以提高工作效率，降低成本。傾斜攝影測量系統(tǒng)在國外起步較早，產(chǎn)品相對(duì)成熟，如天寶公司的AOS系統(tǒng)、德國IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)和以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)等。國內(nèi)劉先林院士團(tuán)隊(duì)于2010年率先研發(fā)成功了第一款國產(chǎn)傾斜相機(jī)SWDC-5，并成功完成實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，是國內(nèi)傾斜相機(jī)的一大突破。后續(xù)上海航遙公司和中測新圖公司也相繼推出了AMC580和TOPDC-5傾斜相機(jī)，使國產(chǎn)傾斜航空攝影測量系統(tǒng)得到了快速發(fā)展[5]。上述傾斜攝影測量系統(tǒng)為快速、大面積城市真三維模型的獲取提供了新方法，但由于傾斜攝影測量系統(tǒng)本身體積和重量較大，必須需要小型飛機(jī)或動(dòng)力三角翼飛行器，甚至是運(yùn)5運(yùn)輸機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，加之其價(jià)格昂貴，使得數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本極高，很大程度上限制了該技術(shù)的廣泛運(yùn)用[6]。

近年來，無人機(jī)成本和可操作性有了革命性的突破，使其從傳統(tǒng)的軍事、航測等專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入到大眾消費(fèi)市場。消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)具有獲取影像成本低、速度快和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在遙感地質(zhì)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測及城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。其雖然只搭載一個(gè)相機(jī)，但可以通過控制云臺(tái)改變相機(jī)的拍攝角度來獲取傾斜影像，從而實(shí)現(xiàn)專業(yè)傾斜攝影測量系統(tǒng)的影像采集功能。同時(shí)，基于計(jì)算機(jī)視覺和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(structure from motion，SfM)的圖像處理技術(shù)不僅可以將正射影像與傾斜影像進(jìn)行聯(lián)合平差，生成點(diǎn)云，并自動(dòng)構(gòu)建三維模型、紋理映射，最終生成逼真的三維場景，而且對(duì)相機(jī)拍攝位置、圖像尺度及拍攝焦距沒有要求[8]，較大提高了數(shù)字城市三維模型的生產(chǎn)效率。無人機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，在城市三維建模領(lǐng)域展示了巨大的發(fā)展?jié)摿?。但利用消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)傾斜攝影測量進(jìn)行三維建模的研究少有報(bào)道。本文擬探討利用消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)進(jìn)行城市三維建模的一般步驟與方法，以中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)為例，進(jìn)行研究區(qū)傾斜影像采集及三維模型構(gòu)建，并對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為城市三維建模研究提供一種方便、快捷的新方法。

1 無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)

目前無人機(jī)種類繁多，有無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)等多種機(jī)型。不同無人機(jī)具有不同的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。多旋翼無人機(jī)飛行速度可控，飛行高度可調(diào)且可以低空飛行，同時(shí)該無人機(jī)不受起降場地限制，更適合用于城市三維建模的數(shù)據(jù)獲取。本研究選用深圳大疆科技精靈系列四旋翼無人機(jī)DJI Phantom 4(圖1)。

圖1 Phantom 4無人機(jī)及地面控制系統(tǒng)

該無人機(jī)由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的移動(dòng)設(shè)備組成。飛行器重為1 380 g，配備全新的影像穩(wěn)定系統(tǒng)，控制精度高達(dá)±0.03°。飛控系統(tǒng)集成于飛行器機(jī)身內(nèi)部，具備雙冗余慣性測量單元(inertial measurement units，IMU)和指南針系統(tǒng)。一體式云臺(tái)位于機(jī)身下部，其上搭載嵌入式相機(jī)。遙控器配備靈敏的控制桿和專用按鈕，工作頻率為2.400～2.483 GHz。內(nèi)置DJI Lightbridge高清圖傳系統(tǒng)，圖像傳輸和可遙控距離達(dá)5 km。Phantom 4能同時(shí)接受GPS及GLONASS定位衛(wèi)星信號(hào)，可獲取5 m精度的影像位置信息。其搭載的相機(jī)焦距為20 mm(35 mm格式等效)，內(nèi)置1 200萬像素1/2.3 in CMOS圖像傳感器。相機(jī)鏡頭針對(duì)航拍進(jìn)行了專門優(yōu)化，94°視角、f/2.8光圈的超低畸變的鏡頭，成像清晰銳利。云臺(tái)相機(jī)的可控轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為(-90°，+30°)，可以通過控制云臺(tái)來采集不同角度的傾斜影像。Phantom 4攜帶了高能量密度智能飛行電池和高效率的動(dòng)力系統(tǒng)，最大平飛速度為20 m/s，單個(gè)電池最大續(xù)航時(shí)間約為28 min。

2 三維模型構(gòu)建技術(shù)流程

利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、空中三角測量、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型(digital surface model,DSM)數(shù)據(jù)生成、紋理貼合及實(shí)景三維建模等步驟[6,9]。其中，最關(guān)鍵的步驟是空中三角測量獲取相機(jī)外方位元素、多視影像密集匹配獲取加密點(diǎn)云以及紋理貼合。三維模型構(gòu)建技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 三維模型構(gòu)建技術(shù)路線

無人機(jī)采集數(shù)據(jù)不僅包含垂直影像，還包含多角度、大傾角傾斜側(cè)視影像，且不同于航空影像，存在重疊度高、像幅小、基線短、旋片角大且畸變嚴(yán)重等問題，所以傳統(tǒng)攝影測量算法已經(jīng)不適用傾斜影像?；赟fM的新型數(shù)字?jǐn)z影測量為獲取三維地形數(shù)據(jù)提供了有效的方法。傾斜攝影測量處理軟件主要有法國ASTRIUM公司的“Street Factory”、法國Accute3D公司的Context Capture和瑞士PIX4D公司的PIX4D mapper系統(tǒng)等[5]。其中，Context Capture軟件運(yùn)行時(shí)無需人工干預(yù)，生成的模型精度高，同時(shí)在紋理貼合時(shí)運(yùn)用自動(dòng)顏色補(bǔ)償算法保證瓦片間的數(shù)據(jù)差異更小，因此本研究采用該軟件來處理無人機(jī)影像，構(gòu)建城市三維模型。

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 地面控制點(diǎn)

在影像獲取之前需要在研究區(qū)采集控制點(diǎn)，用于后續(xù)的空中三角測量及模型精度驗(yàn)證。在研究區(qū)內(nèi)選擇道路交叉點(diǎn)、建筑物拐點(diǎn)和體育場標(biāo)記線交點(diǎn)等作為地面控制點(diǎn)，然后利用GNSS RTK(1+1)測量其坐標(biāo)，測量精度達(dá)到cm級(jí)，可以滿足實(shí)驗(yàn)的精度要求。本次實(shí)驗(yàn)共采集15個(gè)控制點(diǎn)，其中10個(gè)用于校正空中三角測量結(jié)果，5個(gè)用于精度驗(yàn)證。

3.1.2 航線設(shè)計(jì)與無人機(jī)影像采集

實(shí)驗(yàn)采用Altizure軟件進(jìn)行無人機(jī)航線設(shè)計(jì)。該軟件是一款優(yōu)秀的飛控及航線規(guī)劃軟件，支持DJI等多款型號(hào)的無人機(jī)。飛行前需要在軟件提供的地圖上規(guī)劃需要建模的航拍區(qū)域、設(shè)定飛行高度、影像重疊度以及相機(jī)傾斜角度等參數(shù)，軟件會(huì)自動(dòng)生成1次正攝和4次傾斜攝影的飛行路線，預(yù)估飛行時(shí)長，并可實(shí)現(xiàn)智能續(xù)飛。圖3為采集中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)多視影像的5個(gè)架次航線設(shè)計(jì)。

圖3 航線設(shè)計(jì)

在圖3中，中間航線用于獲取正攝影像，上下左右航線分別獲取傾角為40°的南、北、東和西4個(gè)方向的多視影像。實(shí)驗(yàn)飛行航高為60 m，航向與旁向重疊度均為80%，5個(gè)航次耗時(shí)18 min，共獲取研究區(qū)194張影像。獲得的正攝影像的地面空間分辨率為0.027 m，影像成像質(zhì)量好，各類地物清晰可見，多視影像不僅顯示建筑物頂面信息還包含豐富的側(cè)面紋理(圖4)，這為后續(xù)三維模型建立及紋理提取奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖4 多視影像

3.2 全自動(dòng)快速三維模型構(gòu)建

3.2.1 空中三角測量

空中三角測量是三維重建中最基礎(chǔ)的步驟。Context Capture軟件利用特征點(diǎn)檢測算法，本文采用尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform，SIFT)方法從多視影像中提取大量特征點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合影像的GPS位置信息利用高效匹配算法進(jìn)行特征點(diǎn)的快速匹配。在此基礎(chǔ)上，利用迭代光束平差過程生成研究區(qū)的稀疏點(diǎn)云(圖5)，并同時(shí)求解相機(jī)的內(nèi)、外方位元素，完成空中三角測量[10]。

圖5 空中三角測量結(jié)果

3.2.2 密集匹配與模型構(gòu)建

由于初始匹配得到的點(diǎn)云過于稀疏，無法構(gòu)建高精度的模型，所以需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行擴(kuò)展、濾波和優(yōu)化獲得加密點(diǎn)云。首先，利用密集匹配技術(shù)將稀疏點(diǎn)云擴(kuò)展到相鄰像素，得到密集點(diǎn)云； 然后，通過濾波算法剔除存在于地物模型內(nèi)外部的誤差點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)果[11]； 最后，根據(jù)地物復(fù)雜度對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行刪減優(yōu)化，降低數(shù)據(jù)冗余，并構(gòu)建不同尺度下的三角網(wǎng)，獲得優(yōu)化后的模型。研究區(qū)加密點(diǎn)云與DSM模型如圖6所示。

(a) 加密點(diǎn)云 (b) DSM

圖6加密點(diǎn)云與DSM模型

Fig.6DensepointcloudandDSM

從圖6中可以看出，由于樹木和大門頂部修飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜，點(diǎn)云和三角網(wǎng)較為密集，而廣場和路面的結(jié)構(gòu)簡單，點(diǎn)云和三角網(wǎng)較為稀疏。

3.2.3 紋理貼合

紋理貼合是城市三維模型構(gòu)建中的重要部分。通常以3Ds Max為建模工具的三維城市模型構(gòu)建，數(shù)據(jù)處理過程均由人工完成，不僅效率低下，而且地物的表面紋理常會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。本研究采用的全自動(dòng)紋理貼合方法很好地克服了這一缺點(diǎn)。首先，對(duì)三維模型和紋理影像配準(zhǔn)，通過攝影測量的計(jì)算機(jī)視覺原理，建立空間地物點(diǎn)到各影像的投影關(guān)系，從而確立模型中各三角形與多視影像的投影關(guān)系，篩選面積最大、效果最優(yōu)、無遮蔽的目標(biāo)影像； 然后，將其反投影到模型的三角面上，實(shí)現(xiàn)三維模型的紋理貼合[4]。圖7為紋理貼合的三維模型成果，從圖7中可以看到建筑物、樹木和草坪等景觀的紋理表達(dá)都十分逼真。

3.3 精度分析

3.3.1 空中三角測量加密精度

通過計(jì)算5個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測三維坐標(biāo)與區(qū)域網(wǎng)平差得到的三維坐標(biāo)之間的誤差，來衡量區(qū)域內(nèi)空中三角測量加密結(jié)果的精度。驗(yàn)證點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1驗(yàn)證點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)

Tab.1Statisticsfortheerrorofcheckpoints(m)

誤差參數(shù)平面高程最大值0.066 00.012 0最小值0.018 2-0.000 1中誤差0.030 00.011 0

從表1中可以看出，空中三角測量加密結(jié)果最大平面誤差為0.066 m，中誤差為0.03 m； 最大高程誤差為0.012 m，中誤差為0.011 m。這些誤差均遠(yuǎn)小于《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中規(guī)定的“1∶500平地地形測量平面中誤差不超過0.175 m，高程中誤差不超過0.15 m”的要求[12]。由此可見，本文方法構(gòu)建的模型幾何精度非常高。

3.3.2 模型復(fù)雜度

利用定性方法來評(píng)估構(gòu)建的三維模型的復(fù)雜度。對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放，將模型紋理、顏色、空間位置和模型完整度等與真實(shí)場景進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，建筑物模型的基本輪廓、外部建構(gòu)表現(xiàn)良好，其中屋檐、陽臺(tái)和裝飾物表現(xiàn)基本完整； 帶狀綠化樹和綠化林地采用主體建模表現(xiàn)，基本上能夠反映樹木的色調(diào)和基本特征； 僅有少量的柵欄、路燈和座椅等地物要素未表現(xiàn)出來。基于《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，根據(jù)模型精細(xì)度和紋理精細(xì)度將三維地理信息產(chǎn)品分為I—IV級(jí)(I級(jí)為最優(yōu))[13]，本文構(gòu)建的三維模型復(fù)雜度介于II級(jí)到III級(jí)之間，能夠滿足城市三維模型的需求。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)測量建模方法生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率低，以及專業(yè)傾斜攝影測量設(shè)備昂貴、機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn)，嘗試?yán)孟M(fèi)者級(jí)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維城市建模，并以中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)為研究區(qū)，進(jìn)行了多視影像的采集和三維模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)通過飛行控制軟件控制改變內(nèi)嵌在無人機(jī)云臺(tái)中相機(jī)的方向，消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)可完成專業(yè)攝影測量系統(tǒng)的多視影像采集工作，從而大大降低了城市三維模型數(shù)據(jù)的獲取成本。

2)利用消費(fèi)者級(jí)無人機(jī)獲得的高空間分辨率多視影像，結(jié)合高精度地面控制點(diǎn)，可以全自動(dòng)化生成高精度的城市三維模型，生產(chǎn)的模型整體性好、地物無縫銜接、場景真實(shí)、紋理逼真，是一種經(jīng)濟(jì)高效的城市三維模型生產(chǎn)方法。

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