基于無人機(jī)傾斜攝影的建筑物三維建模嘗試

任 誠,高利敏,馮耀樓,張 望

(1. 山西省第三地質(zhì)工程勘察院,山西 晉中 030620； 2. 山西維度空間信息科技有限公司，山西 太原 030000)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，地理信息技術(shù)不斷進(jìn)步，城市的信息化成為必然趨勢，攝影測量技術(shù)隨之快速發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用而生。傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器，從前視、俯視、后視等多個(gè)視角對同一物體進(jìn)行影像信息采集，結(jié)合POS、DOM及矢量等數(shù)據(jù)進(jìn)行基于影像的各種三維測量。針對傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，人們進(jìn)行了多方面的研究探討，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于測繪、國土安全、城市管理等領(lǐng)域。

1 傾斜攝影測量原理

傾斜影像是通過具有一定傾角的傾斜航攝像機(jī)獲取的，同一地物可以獲取多個(gè)視點(diǎn)和多視角的影像，從而得到更為詳盡、較大且多重分辨率的側(cè)面信息，拍攝影像的同時(shí)記錄航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，而后將這些影像通過區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等流程，形成最終產(chǎn)品[1-3]。

2 傾斜攝影影像采集

照片的采集是整個(gè)三維模型重建過程中非常重要的一步，三維建模的效果與照片采集有密切的關(guān)系，保證影像分辨率高、重疊度大、清晰度高，拍攝光照條件好，是三維建模的必備要求。模型重建對象的每一部位至少應(yīng)從3個(gè)不同的視點(diǎn)進(jìn)行拍攝且影像航向重疊不小于80%，旁向重疊不小于50%，同一部位的不同拍攝視角之間夾角小于15°，為實(shí)現(xiàn)更好的效果，對局部部位進(jìn)行補(bǔ)拍，如圖1—圖4所示。

3 Smart3D三維建模軟件的特點(diǎn)

Smart3D實(shí)景建模大師是一套集合了數(shù)字影像、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)及計(jì)算機(jī)幾何圖形算法的全自動(dòng)高清三維建模軟件解決方案，它具有方便友好的人機(jī)交互界面、良好的數(shù)據(jù)兼容性、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力及較低的硬件配置要求,在三維數(shù)據(jù)建模領(lǐng)域是比較優(yōu)秀的軟件。

Smart3D能接收各種硬件采集的多種原始影像數(shù)據(jù)，包括大、中、小型無人機(jī)和載人機(jī)、街景車、數(shù)碼相機(jī)甚至手機(jī)，無需人工干預(yù)，直接把所得影像數(shù)據(jù)還原成真實(shí)逼真的三維模型，無論是海量級城市數(shù)據(jù)，還是考古級精細(xì)到毫米的模型，都能輕松還原出最接近真實(shí)的模型。

4 多旋翼無人機(jī)城市建模案例

利用拓普康獵鷹8號八旋翼無人機(jī)對山西某建筑樓進(jìn)行三維測量建模。

4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機(jī)航攝系統(tǒng)構(gòu)成及特點(diǎn)

拓普康獵鷹8號八旋翼無人機(jī)為獨(dú)創(chuàng)專利的“V”字型八旋翼，專為監(jiān)測和測繪應(yīng)用量身定制，搭載索尼A7R高分辨率數(shù)碼相機(jī),可以360°多維度、多視向拍照，適用于執(zhí)行資料搜集、協(xié)調(diào)指揮、搜索、測量、通信、檢測、偵查、影視航拍等多種空中任務(wù)，見表1。

4.2 作業(yè)區(qū)域確定

利用奧維地圖Omap定位到飛行區(qū)域，結(jié)合Global Mapper標(biāo)定區(qū)域拐點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)，如圖5所示。

表1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)[4]

4.3 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，野外像控點(diǎn)目標(biāo)位置、密度、分布及測量精度直接影響數(shù)據(jù)后處理精度，因此像控點(diǎn)的布設(shè)和選擇必須規(guī)范、嚴(yán)格、精確。注意事項(xiàng)有：①像控點(diǎn)按平高區(qū)域網(wǎng)航線進(jìn)行布設(shè)；②對于布設(shè)在同一位置的平面點(diǎn)和高程點(diǎn)，要聯(lián)測成平高點(diǎn)；③地物有陰影不應(yīng)作為控制點(diǎn)點(diǎn)位目標(biāo)；④布設(shè)的標(biāo)志應(yīng)對空視角好，不能有遮擋；⑤像控點(diǎn)要遠(yuǎn)離通信塔、大面積水域、電視塔等有電磁干擾區(qū)域。

本次飛行區(qū)域內(nèi)分別在地面、樓頂?shù)茸兓^大位置共布設(shè)20個(gè)像控點(diǎn)和10個(gè)檢核點(diǎn)，平面坐標(biāo)為CGCS2000，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)[4-6]。

4.4 航線規(guī)劃

飛行航線規(guī)劃的主要目標(biāo)是依據(jù)飛行區(qū)域地形和環(huán)境條件信息，結(jié)合無人機(jī)綜合性能等約束條件，利用AscTec Navigator軟件規(guī)劃出最優(yōu)航線，如圖6所示，保證無人機(jī)高效、快速地完成飛行任務(wù)。針對本次飛行任務(wù)規(guī)劃飛行航線為正射影像采集、傾斜影像采集及局部影像采集，飛行高度為70 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為75%，地面采樣間隔為9.76 mm，飛行速度為5 m/s，共計(jì)805張相片，如圖7所示。

4.5 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

基于Smart3D軟件的三維建模操作流程，主要包括工程建立→影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入→檢查影像文件→空間坐標(biāo)框架選取→控制點(diǎn)成果輸入→空三計(jì)算→模型生成。[7-8]

4.5.1 空中三角計(jì)算

空中三角測量是立體攝影測量中根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，進(jìn)行內(nèi)業(yè)控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的三維坐標(biāo)的測量方法。在數(shù)字?jǐn)z影測量中，光束平差法最為常用，即是以攝影時(shí)地面點(diǎn)、攝影站點(diǎn)(投影中心)和像點(diǎn)三點(diǎn)共線條件所建立的每條空間光線作為整體平差運(yùn)算中的基本單元的空中三角測量計(jì)算。

4.5.2 三維模型構(gòu)建

根據(jù)正射影像、傾斜影像數(shù)據(jù)，結(jié)合空三加密解算出來的影像外方位元素，運(yùn)用多視角多角度影像匹配技術(shù)，生成三維網(wǎng)格、密集點(diǎn)云，最后建立三維紋理，建立逼真的三維模型，完整地表現(xiàn)出地形地物的表面特性，如圖8所示。

4.6 成果分析

主要檢查三維建模數(shù)據(jù)的完整性、幾何質(zhì)量、位置精度、表現(xiàn)質(zhì)量、屬性精度和邏輯一致性等。本文采用分解法將三維模型分解到基元點(diǎn)，以局部精度評估整體質(zhì)量。以全站儀測量隨機(jī)獲取10個(gè)檢核點(diǎn)坐標(biāo)值作為真值，與重建模型對應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行對比，得出基元點(diǎn)的精度。

建筑物真值角點(diǎn)坐標(biāo)M1(Xa，Ya，Za)，a∈[1，10]；構(gòu)建三維模型的角點(diǎn)坐標(biāo)N1(Xb，Yb，Zb)，b∈[1，10]。

計(jì)算得出對應(yīng)點(diǎn)之間的距離差值為

(1)

則三維模型基元點(diǎn)的精度值為

(2)

具體結(jié)果見表2。

表2 距離偏移統(tǒng)計(jì)

根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得出總體中距離偏移的平均值為9.73 mm，精度較高[9-13]。

5 結(jié) 語

基于無人機(jī)傾斜攝影，能夠快速高效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的影像，它以多視影像疊加制圖解決了類似房檐下、橋梁底部區(qū)域模型缺失或失真問題，可以低成本地獲取三維影像圖，在數(shù)字城市、工程建筑、應(yīng)急指揮、災(zāi)害評估、環(huán)保監(jiān)測等眾多方面具有重要應(yīng)用市場。