基于無人機傾斜攝影的建筑物精細(xì)化三維建模

張文龍

（山東港通智匯信息技術(shù)有限公司，山東 煙臺 264000）

1 無設(shè)人備機選傾型斜攝影技術(shù)的測繪原理及

1.1 無人機傾斜攝影技術(shù)的測繪原理

無人機傾斜攝影技術(shù)對建筑為影像目標(biāo)的獲取，主要基于光學(xué)小孔成像原理。如圖1 所示，空間位置中的目標(biāo)點M，經(jīng)過的光學(xué)投影后，達(dá)到成像平面R，對應(yīng)的成像點W，由于目標(biāo)點M與成像點W 的連線與相機平面的交點通過光心C，因此MW線也成為光軸，光心C在成像平面上的投影為C'，兩者的距離為焦距。假設(shè)M=(x,y,z,1)T，W=(x'，y'，z'，1)T，根據(jù)三角形相似性準(zhǔn)則可得[1]

（a）光學(xué)成像模型 （b）三角形相似性準(zhǔn)則圖1 無人機傾斜攝影技術(shù)成像原理

假設(shè)成像點W的像素坐標(biāo)為(u,v,1)T，C'的偏移量為(uc,vc,1)T，可以得到坐標(biāo)關(guān)系如公式（2）所示。

式中，α、β 均為縮放因子。

整理可得

假設(shè)目標(biāo)點M的像素坐標(biāo)為(u,v,1)T，可以得到目標(biāo)矩陣如公式（4）所示

式中，λ為深度因子；fu和fv為尺度因子；fu=αf，fv=αf；γ為傾斜因子；A為相機內(nèi)參矩陣。

1.2 無人機傾斜攝影技術(shù)的設(shè)備選型

目前，無人機傾斜攝影搭載平臺按照其結(jié)構(gòu)形式主要可以分為3 種，分別為固定翼、單懸翼和多懸翼[2]。不同結(jié)構(gòu)形式的無人機傾斜攝影搭載平臺的優(yōu)缺點對比如表1 所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的無人機傾斜攝影搭載平臺優(yōu)缺點對比

綜合分析測繪條件和測繪效率要求，試驗選用大疆Mavic2 Pro 四旋翼無人機搭載高精度高分辨力傾斜攝影攝像機作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。該型號無人機具有起降方便、速度可調(diào)、安全穩(wěn)定、高分辨力和控制靈活等特點，能夠滿足高效的外業(yè)工作要求，適合大面積城市場景傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取。無人機設(shè)備的起飛重量為908 g，最大上升速度為5 m/s，最大水平飛行速度為72 km/h，在S 模式下最大垂直下降速度為5 m/s，RTK 位置精度為水平1 cm+1 ppm、垂直1.5 cm+1 ppm，最長飛行時間為31 min，最大續(xù)航能力為18 km，最大抗風(fēng)等級為5 級風(fēng)，搭載的定位系統(tǒng)為GPS+GLONASS。無人機搭載的影像設(shè)備為睿鉑DG4Pros 全畫幅5 鏡頭傾斜相機，前后視鏡頭傾角為45°，左右視鏡頭傾角為50°，最大俯仰軸旋轉(zhuǎn)角速度為300°/s，最大航向軸旋轉(zhuǎn)角度為100°/s，最大俯仰角度為30°，攝像機傳感器為1 英寸CMOS，具有有效像素2 000 萬，鏡頭等效焦距28 mm，光圈f/2.8~f/11，電子快門速度為8~1/8 000 s，照相分辨率為5 472×3 648。

2 無人機傾斜攝影技術(shù)的三維模型構(gòu)建

與傳統(tǒng)的三維激光掃描建模、手工建模相比，無人機傾斜攝影建模具有明顯優(yōu)勢，3 種不同的建模方法對比如表2 所示。在無人機傾斜攝影中，為構(gòu)建目標(biāo)建筑物的三維數(shù)據(jù)，首先需對研究區(qū)域圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無人機設(shè)備搭載的光學(xué)相機按照導(dǎo)航裝置和人工地面操縱的設(shè)置進(jìn)行低空巡航，并從不同的角度對研究區(qū)域的地形地物進(jìn)行光學(xué)攝影，以獲得高精度的影像，并通過后期圖片處理技術(shù)自動化和智能化地構(gòu)建高分辨率的三維數(shù)據(jù)模型。建筑物三維模型的構(gòu)建需經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示[3]。

圖2 無人機傾斜攝影技術(shù)數(shù)據(jù)采集及三維模型構(gòu)建流程

表2 無人機傾斜攝影技術(shù)三維建模與其他技術(shù)的對比分析

3 基于無人機傾斜攝影技術(shù)的建筑物三維建模精度分析

在無人機傾斜攝影技術(shù)的建筑物三維建模中，建模軟件的選擇至關(guān)重要。目前，主流的三維建模軟件主要為大疆智圖、Metashape、ContextCapture 和Pix4D Mapper，4 種三維建模軟件的設(shè)備功能和設(shè)備特點對比如表3 所示[4]。為了研究這4 種不同軟件的建模精細(xì)化程度，以山東省煙臺市某城市街道建筑物為研究對象，運用無人機攝影設(shè)備獲取不同建筑物的影像數(shù)據(jù)，如圖3(a)所示，利用密集點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN（Trianglated Irregular Network）不規(guī)則三角網(wǎng)、提取特征點坐標(biāo)，構(gòu)建的建筑物TIN 不規(guī)則三角網(wǎng)絡(luò)模型，建筑物的紋理和3D 虛擬模型主要通過實景模型與提取特制點的相互融合，結(jié)果繪制呈三維白膜模型如圖3(b)所示[5]。

圖3 基于無人機傾斜攝影技術(shù)的實景模型及白模構(gòu)建效果

表3 無人機傾斜攝影技術(shù)三維建模軟件對比

基于4 種不同軟件建立的三維模型，對各個模型中具體地物（門窗、建筑物墻體等）的尺寸（長度、寬度）等數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以中誤差值作為衡量模型精細(xì)化程度的評估指標(biāo)，精度統(tǒng)計分析結(jié)果如圖4所示。從圖4 中可以看出，不同建模軟件得到的建模精度呈現(xiàn)完全不同的變化規(guī)律，大疆智圖軟件建模的誤差范圍為-0.07~0.08，其中誤差值大于0.02 的誤差頻數(shù)均大于30，因此建模精度較低；Metashape 軟件建模的誤差范圍為-0.06~0.07，誤差值介于±0.03 的誤差頻數(shù)均較低，因此建模精度較低；ContextCapture軟件建模的誤差范圍為±0.08，其中誤差頻數(shù)主要集中于±0.05，因此建模精度較高；Pix4D Mapper 軟件建模的誤差范圍為±0.06，除誤差值為0.03 與0.04 的誤差頻數(shù)較高外，其余誤差頻數(shù)均較低，因此建模精度較低。綜合比較中值誤差分布情況可知，ContextCapture軟件具有較高的建模精度，在無人機建筑物精細(xì)化建模中可優(yōu)先選用。

圖4 不同建模軟件的建模精度對比

4 結(jié)語

以山東省煙臺市某城市街道建筑物為研究對象，基于無人機傾斜攝影技術(shù)，運用現(xiàn)場實測的方法獲取目標(biāo)建筑物的影像數(shù)據(jù)，并通過后期圖片處理技術(shù)自動化和智能化地構(gòu)建高分辨率的三維數(shù)據(jù)模型，研究4 種不同建模軟件的精度變化，得到如下結(jié)論：

（1）選用的大疆Mavic2 Pro 四旋翼無人機搭載高精度高分辨力傾斜攝影攝像機作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有有起降方便、速度可調(diào)、安全穩(wěn)定、高分辨力和控制靈活等特點，能夠滿足高效的建筑物三維建模的外業(yè)工作要求，適合大面積城市場景傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取。

（2）4 種不同建模軟件得到的建模精度呈現(xiàn)完全不同的變化規(guī)律，大疆智圖軟件建模的誤差范圍為-0.07~0.08，Metashape 軟件建模的誤差范圍為-0.06~0.07，ContextCapture軟件建模的誤差范圍為±0.08，Pix4D Mapper軟件建模的誤差范圍為±0.06，綜合比較中值誤差分布情況可知，ContextCapture 軟件具有較高的建模精度，在無人機建筑物精細(xì)化建模中可優(yōu)先選用。