基于傾斜攝影技術(shù)的城市實景三維建模研究

朱 勇 程海翔

（1.揚州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚州 225009；2.揚州市政府信息資源管理中心，江蘇 揚州 225002）

0.引言

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影技術(shù)作為測繪地理信息領(lǐng)域的一項新的重要技術(shù)得以快速發(fā)展，在地形測繪、工程測量、電力巡檢、工程勘察、交通規(guī)劃、應(yīng)急測繪等方面發(fā)揮了廣泛應(yīng)用，讓數(shù)字信息賦能更多行業(yè)領(lǐng)域，同時也為城市實景三維建模提供了新的技術(shù)條件，為智慧城市建設(shè)提供了技術(shù)支持。

傾斜攝影是近十年來國際攝影測量領(lǐng)域發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。這項技術(shù)通過同步采集不同視角的數(shù)據(jù)圖像，可以獲得豐富的建筑物頂視圖和側(cè)視圖的高分辨率影像，從而獲得準(zhǔn)確的紋理數(shù)據(jù)，并且可以通過定位、融合、建模等專業(yè)技術(shù)生成實景三維模型。與正射影像相比，傾斜攝影可以讓使用者從多個不同的角度觀察地物，更加真實地反映了地物當(dāng)時的景象，這也很大程度地彌補了正射影像的不足之處。當(dāng)前大多數(shù)傾斜攝影通過在無人機上搭載一個五鏡頭相機，分別從下、前、后、左、右等五個不同視角采集數(shù)據(jù)影像，在同一個曝光時刻得到五張照片。由于采用五鏡頭相機拍照，相片數(shù)量較多，因此模型構(gòu)建過程對電腦配置要求較高，且所需時間較長。本文基于大疆經(jīng)緯M300搭載大疆禪思P1（Zenmuse P1）全畫幅智能擺動云臺拍攝相機進行傾斜攝影采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合大疆智圖軟件（Terra），以揚州市梅嶺中學(xué)為例，敘述實景三維模型構(gòu)建的基本過程。

1.無人機傾斜攝影三維建模

1.1 傾斜攝影三維建?；驹?/h3>

傾斜攝影是將計算機視覺處理中的多視點三維重建理論與攝影測量相結(jié)合的一種新的攝影測量技術(shù)，其特點是在完成數(shù)據(jù)采集后，采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實現(xiàn)后期的三維真實場景建模。無人機傾斜攝影技術(shù)是指將自動控制的無人機與傾斜攝影云臺相機相結(jié)合，應(yīng)用無人機快速、靈活的優(yōu)點，提高了傾斜攝影數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)采集的智能化程度，可以更有效地采集地面數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中，從不同的角度拍攝圖像，突破了正射影像只能從垂直角度拍攝的限制，擴大了拍攝范圍，實現(xiàn)了地面多角度數(shù)據(jù)的采集。然后，通過計算機三維建模技術(shù)，快速構(gòu)建具有精確地理位置信息的三維空間模型，能夠準(zhǔn)確重建目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地形和建筑物的詳細(xì)特征，提高建模的效率和質(zhì)量，實際模型的精度可以達到毫米級。無人機傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)包括POS數(shù)據(jù)和高清照片數(shù)據(jù)，POS數(shù)據(jù)主要是采集無人機運行過程中的經(jīng)緯度、高度、飛行方向、飛行姿態(tài)等信息，由飛行控制系統(tǒng)在相機拍照時產(chǎn)生，并與照片一一對應(yīng)。

無人機傾斜攝影三維建模是一種基于圖像的建模，基于圖像建模的主要目的是從二維圖像中恢復(fù)場景的三維幾何結(jié)構(gòu)。由于圖像本身包含豐富的場景信息，所以很容易從圖像中得到一個像照片一樣的真實場景的三維模型，構(gòu)建過程如圖1所示。

圖1 三維模型構(gòu)建過程

以上過程可以概述為：由傾斜攝影得到的影像生成三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行三角網(wǎng)構(gòu)建，生成一個“白?！保賹Α鞍啄！边M行紋理映射，進而生成所需的三維模型。與傳統(tǒng)的利用建模軟件或三維掃描儀獲取立體模型的方法相比，基于圖像的建模方法具有使用成本低、真實感更強、自動化程度高等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 傾斜攝影云臺相機

目前大多數(shù)的傾斜攝影采用五鏡頭相機拍照，在同一時刻分別從下、前、后、左、右五個不同方向采集影像數(shù)據(jù)，相片數(shù)量是同等條件下正射影像照片數(shù)量的五倍，因此建模過程對電腦配置要求較高，且所需時間較長。面對城市實景三維這樣大規(guī)模的航空攝影測量需求，無人機傾斜攝影產(chǎn)業(yè)亟需一款高精度、高效率、高可靠性、低使用門檻的一體化解決方案。而這其中，如何大幅提升單張照片的有效拍攝面積，成為實現(xiàn)突破的關(guān)鍵。本文基于大疆禪思P1（Zenmuse P1）全畫幅智能擺動云臺拍攝相機進行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集。

禪思P1是一款高性能、多用途航空攝影測量相機，搭載4 500萬像素全畫幅圖像傳感器，集成全畫幅圖像傳感器與三軸云臺可實現(xiàn)智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影需求，可以拍攝8 192×5 460分辨率的照片。配合大疆經(jīng)緯M300無人機，在高速飛行中實現(xiàn)智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影需求，使影像采集效率倍增，從而快速獲取高精度的三維模型。P1搭配大疆經(jīng)緯M300無人機，只需4架次140分鐘，即可完成10平方千米的正射影像數(shù)據(jù)采集。不僅如此，禪思P1通過相機、云臺、飛控和RTK之間的微秒級時間同步，實現(xiàn)厘米級的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取。且得益于機械全局快門，可以有效減少果凍效應(yīng)，也能滿足比例尺1∶500地形圖免像控的精度要求。

由P1鏡頭獲取的影像數(shù)據(jù)，通過采用大疆智圖軟件（Terra）構(gòu)建三維模型，可以大幅提高精度和效率，高效精簡地提供多角度傾斜攝影數(shù)據(jù)，滿足三維建模影像數(shù)據(jù)需求，為實景三維與智慧城市建設(shè)助力。

1.3 傾斜攝影三維建模軟件

傾斜攝影三維建模是基于圖像的建模，由于圖像本身包含豐富的場景信息，所以很容易從圖像中得到一個像照片一樣的真實場景的三維模型。目前常用的三維建模軟件主要有Smart3D、Pix4D、Skyline PhotoMesh、PhotoScan等。。

Smart3D是目前市面上用得比較多的一款三維建模軟件，能夠處理手機、單反相機、激光雷達等多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。這款軟件的建模優(yōu)勢主要是：快速、簡單、全自動，前期輸入需要處理的照片，設(shè)置好參數(shù)后便可完成空三加密、三維建模重建DOM、DSM生成等工作；三維模型效果逼真；支持多種三維數(shù)據(jù)格式，處理的模型效果在當(dāng)前所有三維軟件中也是名列前茅。PhotoScan是一款全自動生產(chǎn)三維模型的建模軟件。這款軟件操作簡單，無特殊和難理解的參數(shù)需要設(shè)置，但是對于數(shù)據(jù)處理的容錯率較低，易報錯，三維效果還有待提高。Pix4D是一款專門用作測繪的軟件，從數(shù)據(jù)采集（pix4Dcapture）到DOM、DSM及三維模型生產(chǎn)都有涉及，在DOM正射影像生成方面很有特點，但是三維效果相對于Samrt3D來說還是有些差距。本文由于采用大疆經(jīng)緯M300無人機搭載禪思P1進行數(shù)據(jù)采集，因此采用大疆智圖軟件(Terra)進行三維建模。

大疆智圖是一款提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應(yīng)用軟件，其三維構(gòu)建是基于大疆點云重建算法，將無人機采集的數(shù)據(jù)可視化，先實時生成三維點云，然后經(jīng)過后處理生成三維模型。相比其他幾種軟件，大疆智圖的優(yōu)點是操作簡單，處理速度快且效果好。其處理速度是其他主流軟件效率的3-5倍以上，單機效率堪比CC集群。

2.工程案例

為滿足智慧城市地理信息平臺建設(shè)的需要，需要對揚州市梅嶺中學(xué)進行傾斜攝影三維模型構(gòu)建。該區(qū)域南北長約300米，東西長約120米，測區(qū)地勢平坦，建筑物密集，要求地面影像分辨率達到5厘米，三維模型平面位置和高程要求滿足成圖比例尺1∶500精度要求。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本次項目采用大疆經(jīng)緯M300搭載Zenmuse P1（50毫米）鏡頭，對測區(qū)進行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集。根據(jù)精度要求，設(shè)定飛行高度150米，航向重疊率80%，旁向重疊率75%，航線自動生成，并根據(jù)測區(qū)實際情況調(diào)整航線角度，外擴邊距可自動生成。選擇天氣情況良好條件下進行外業(yè)拍攝。本測區(qū)面積較小，一個架次完成照片采集，共計照片734張。

2.2 像控點布設(shè)

為保證模型精度，測區(qū)內(nèi)共布設(shè)4個控制點（點號xk6、xk7、xk8、xk9）和1個檢查點，5個控制點均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)，且控制點上方?jīng)]有大的遮擋物，控制點和檢查點平面坐標(biāo)和高程均采用JSCORS進行測量，平面坐標(biāo)采用國家2000坐標(biāo)系，高程采用85高程系統(tǒng)。

2.3 三維模型構(gòu)建

采用大疆智圖軟件進行三維模型構(gòu)建，導(dǎo)入外業(yè)拍攝的照片，輸出坐標(biāo)系設(shè)置選擇輸出坐標(biāo)系CGCS 2000，中央子午線選擇3度帶分帶120度。

2.3.1 空中三角測量

空中三角測量是以視覺的重投影殘差最小化為目標(biāo)，在一定的先驗條件下求解相機成像時的位置和姿態(tài)，其計算過程首先尋求同名像點，包括特征點提取和匹配，然后進行區(qū)域網(wǎng)平差解算出相機位置和姿態(tài)。在進行三維模型構(gòu)建時，可在添加照片后導(dǎo)入像控點，利用像控點提高空三的精度和檢查空三的精度，將空三結(jié)果轉(zhuǎn)換到指定的像控點坐標(biāo)系下，從而提高模型構(gòu)建的準(zhǔn)確度。%%

2.3.2 三維模型構(gòu)建

空三解算完成后即可進行三維模型構(gòu)建，如前所述，三維模型建立的基本過程是由影像生成點云數(shù)據(jù)，再根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成一個“白?！?，然后對“白?！边M行紋理映射，最后生成三維模型，如圖2所示。

三維模型常用數(shù)據(jù)格式主要是S3C、OBJ以及OSGB，其中S3C是Smart3D內(nèi)部格式；OBJ文件是Alias Wavefront公司為一套基于工作站的3D建模和動畫軟件開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件格式，很適合用于3D軟件模型之間的互導(dǎo)，在修模時常用這種格式；OSGB是Open Scene Gragh Binary的簡寫，也是目前市面上常見的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)格式。由Smart3D處理的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)的組織方式一般是采用二進制存儲的、帶有嵌入式鏈接紋理數(shù)據(jù)（.jpg）的OSGB格式。大疆智圖軟件三維建模支持OBJ和OSGB格式。但這里需要指出的是通過大疆智圖三維建模生成的OSGB文件結(jié)構(gòu)與Smart3D（ContextCapture）生產(chǎn)的OSGB格式有區(qū)別。本項目生成模型選擇OSGB格式，最終成果如圖3所示。

圖3 三維實景成果

2.4 精度分析

通過大疆智圖軟件空三解算最后生成空三質(zhì)量報告，如圖4所示?？梢钥闯鱿窨攸c的點位誤差滿足三維模型1∶500成圖比例尺平面位置誤差不超過0.3米、高程誤差不超過0.5米的要求，模型精度符合要求。

圖4 空三解算質(zhì)量報告

3.結(jié)束語

本文基于大疆經(jīng)緯M300搭載禪思P1相機，對揚州市梅嶺中學(xué)進行傾斜攝影，利用大疆智圖軟件進行三維模型構(gòu)建，完成城市實景三維模型，模型精度滿足相關(guān)要求。在應(yīng)用 中，可以總結(jié)以下幾點：

（1）大疆禪思P1相機通過相機、云臺、飛控和RTK之間的微秒級時間同步，實現(xiàn)厘米級的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取。在高速飛行作業(yè)中，能滿足三維模型成圖比例尺1∶500的精度要求。

（2）禪思P1可實現(xiàn)智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影，從而快速獲取高精度的三維模型。P1搖擺航飛模式優(yōu)于五鏡頭模式，而且P1搖擺航飛相比傳統(tǒng)五鏡頭大大節(jié)省照片數(shù)量，對于后期數(shù)據(jù)的處理可以大幅度節(jié)約資源，提高模型制作效率。

（3）傾斜攝影使用大疆M300搭載P1相機做搖擺傾斜航飛，內(nèi)業(yè)使用大疆智圖軟件進行內(nèi)業(yè)建模，不管是從工作效率還是模型效果以及精度等方面綜合考慮都是最優(yōu)化的方案，相比傳統(tǒng)五鏡頭在照片數(shù)量上大大減少。這對于項目整體的航飛以及建模等工序來說，在效率上有質(zhì)的提升。

但是本項目采用P1鏡頭也有不足之處，由于照片數(shù)量減少，P1鏡頭的色彩飽和度低于傳統(tǒng)五鏡頭，這就要求通過大疆智圖三維模型構(gòu)建完成以后還需要進行下一步修模的工作，來實現(xiàn)單體化的實景三維模型。