利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影的建筑物立面建模方法

劉 振，吳長(zhǎng)悅

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

建筑物立面測(cè)量，即根據(jù)需要將建筑物從各個(gè)不同方向，測(cè)出目標(biāo)的俯視圖和正立面圖、側(cè)立面圖，以真實(shí)反映出建筑物各個(gè)部位在立面圖上的關(guān)系位置及其尺寸，其效果類(lèi)似照片[1-3]。隨著測(cè)繪方法和儀器的發(fā)展，傳統(tǒng)二維信息的表達(dá)已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求，人們需要更加直觀的三維信息的呈現(xiàn)，各種三維建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前主流的三維建模方法有三種：通過(guò)全站儀外業(yè)測(cè)量后用CAD進(jìn)行三維建模；通過(guò)三維激光掃描儀的三維建模；通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模。CAD建模是最為傳統(tǒng)和古老的建模方法，該方法外業(yè)測(cè)量任務(wù)繁重，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需耗費(fèi)大量人力和時(shí)間成本。三維激光掃描儀的建模方法外業(yè)測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，三維建模精度非常高，但是內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，處理起來(lái)很不容易，并且三維激光掃描儀的成本太高，一般的單位負(fù)擔(dān)不起，不適合大范圍的推廣使用。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新的測(cè)量手段，具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，并且外業(yè)和內(nèi)業(yè)的操作都不是很難，成為了一種低門(mén)檻高效率的三維建模方法，得到全行業(yè)范圍內(nèi)的大力推廣，并且深受測(cè)繪工作者的青睞[4]。

目前，在立面測(cè)量中，全站儀、三維激光掃描儀和傾斜攝影都能夠得到三維的立面成果，但是綜合考慮，本文選擇無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性，值得大面積推廣使用。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

1.1 數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)獲取方式便捷高效，利用無(wú)人機(jī)搭載普通相機(jī)按照預(yù)定航線(xiàn)飛行，即可獲取原始影像數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)獲取成本較低；(3)獲取的數(shù)據(jù)具有全方位、多視角、高分辨率等特點(diǎn)；(4)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)單，基本可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)或半自動(dòng)化直接得到三維模型成果[5-6]。

1.2 數(shù)據(jù)存在的問(wèn)題

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模的影像序列數(shù)據(jù)常存在以下問(wèn)題:

首先，三維模型成果的精度受原始影像序列的影響較大，不同分辨率的原始影像得到的模型存在較大差異，影響影像分辨率的因素較多，除去傳感器自身的影響外，無(wú)人機(jī)飛行的航高、重疊度、飛行時(shí)的光照等都會(huì)影響影像的質(zhì)量。

其次，可能會(huì)存在遮擋問(wèn)題。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的過(guò)程中，不同的作業(yè)環(huán)境可能會(huì)存在一定程度的目標(biāo)地物的遮擋問(wèn)題，有時(shí)可能是建筑物結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，有時(shí)可能是樹(shù)木的影響等，這些都會(huì)導(dǎo)致影像紋理的缺失，最終影響模型局部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)。

最后，多視影像匹配出現(xiàn)錯(cuò)誤。城市建筑的材質(zhì)較為復(fù)雜，在對(duì)有些玻璃或金屬等材質(zhì)進(jìn)行拍攝的時(shí)候，可能存在大面積色調(diào)單一和反光現(xiàn)象，折回使得影像在匹配時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)亂和無(wú)法識(shí)別，最終產(chǎn)生有漏洞的三維模型[5]。

2 建筑物立面重建

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的建筑物立面重建的基本步驟為影像序列獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和三維模型的修復(fù)。

2.1 影像序列的獲取

使用大疆的精靈4 RTK單鏡頭無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝，主要采取系統(tǒng)規(guī)劃的空中航線(xiàn)與人為設(shè)計(jì)的地面路線(xiàn)拍攝，這兩種空地相結(jié)合的拍攝方式。選擇天氣晴朗的時(shí)候進(jìn)行外業(yè)飛行，主要采集面向道路兩側(cè)和建筑頂部的影像數(shù)據(jù)，道路總長(zhǎng)度200 m左右，拍攝垂直和傾斜有效影像共計(jì)1 017張，原始照片如圖1所示。

圖1 原始照片

在拍攝的時(shí)候，要求航向重疊度80%，旁向重疊度80%，建筑物正上方拍攝一組正攝影像，然后在道路上方對(duì)兩側(cè)建筑分別以45°傾角在最上邊拍攝一層，然后再往下以等高度間隔(20 m)，以0°傾角拍攝三層，最下面一層為地面層，用手舉著無(wú)人機(jī)沿道路兩側(cè)，使鏡頭正對(duì)兩側(cè)建筑進(jìn)行拍攝，最終得到的影像為五組：頂部一組正攝和側(cè)面四層傾斜影像。拍攝方案如圖2所示(其中箭頭朝向?yàn)闊o(wú)人機(jī)鏡頭朝向)。

圖2 拍攝方案

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要使用ContextCapture(原Smart3D)實(shí)景三維建模軟件，該軟件是Bentley公司的一款非常優(yōu)秀的三維建模軟件，具有自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便、三維建模效果優(yōu)秀、并行運(yùn)算效率較高等特點(diǎn)[7-8]。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入，空中三角測(cè)量，選刺像控并再次空中三角測(cè)量，切塊生成三維模型。數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture之后的軟件界面如圖3所示。第一次空中三角測(cè)量之后的成果如圖4所示。像控點(diǎn)導(dǎo)入后的界面如圖5所示。像控點(diǎn)一共有8個(gè)，成“五餅形”均勻分布在道路兩側(cè)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，中央子午線(xiàn)為高斯3°帶117°，具體像控坐標(biāo)數(shù)值如圖6所示。

圖3 照片導(dǎo)入后界面

圖4 第一次空三后界面

圖5 像控導(dǎo)入后界面

圖6 像控坐標(biāo)

選刺像控并進(jìn)行空中三角測(cè)量之后的成果如圖7所示。

圖7 刺像控后空三界面

最終的三維模型成果如圖8所示。

圖8 三維模型效果

2.3 三維模型的修復(fù)

對(duì)于已經(jīng)生成的三維模型，由于樹(shù)木的遮擋、道路兩側(cè)建筑的玻璃或金屬材質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致在軟件處理過(guò)程中紋理映射的錯(cuò)誤。三維模型質(zhì)量很大程度上依賴(lài)于原始影像數(shù)據(jù)，因此考慮通過(guò)外業(yè)補(bǔ)拍照片來(lái)解決遮擋問(wèn)題，大量的冗余信息也能在一定程度上解決玻璃鏡面的反射問(wèn)題；此外，還可以在航測(cè)系統(tǒng)軟件自動(dòng)空三加密之后，通過(guò)手動(dòng)添加連接點(diǎn)來(lái)輔助解決模型的玻璃漏洞問(wèn)題。通過(guò)這兩種方法對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)，最終的三維模型效果如圖9所示。

圖9 最終三維模型

3 建筑物立面增強(qiáng)

通過(guò)以上的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明了處理過(guò)程中原始影像數(shù)據(jù)對(duì)模型成果的巨大影響，利用影像中豐富的幾何信息和建筑物設(shè)計(jì)中包含的規(guī)則可進(jìn)一步提高模型質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)建筑物立面的增強(qiáng)[9-10]。豐富的建筑物紋理信息可以在一定程度上增強(qiáng)建筑物三維模型的立面效果，這種基于影像的增強(qiáng)，主要可以解決建筑物三維模型的缺失問(wèn)題，修補(bǔ)模型漏洞和局部細(xì)節(jié)，但是可能會(huì)增大外業(yè)的工作量，所以應(yīng)該盡量在第一次外業(yè)拍攝的時(shí)候就合理規(guī)劃好拍攝方案，對(duì)于可能存在遮擋或遇到反光材質(zhì)，應(yīng)該在原有拍攝方案的基礎(chǔ)上，加拍一定數(shù)量的影像數(shù)據(jù)，并且要保證與其他影像數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和重疊度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)建筑物立面測(cè)量進(jìn)行研究，提出了立面三維建模過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)論述了無(wú)人機(jī)傾斜攝影立面測(cè)量的具體實(shí)施步驟，探討了在對(duì)建筑物立面進(jìn)行三維建模時(shí)可能影響模型效果的因素，通過(guò)影像增強(qiáng)來(lái)對(duì)模型修復(fù)，最終得到質(zhì)量非常好的模型。證明了使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行建筑物立面測(cè)量具有可行性，為立面測(cè)量提供了一種可參考的解決方案。