基于無人機影像的三維模型構(gòu)建技術(shù)

李隆方，張著豪，鄧曉麗，馬 磊

（1.德陽市勘察測繪設(shè)計院，四川 德陽 618000；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093）

隨著城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)已不能滿足各部門日常工作需要，迫切需要更為全面的城市三維數(shù)據(jù)［1］。三維數(shù)據(jù)可視化已成為當(dāng)今城市基礎(chǔ)建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、交通和通訊等方面的重要環(huán)節(jié)，是當(dāng)前數(shù)字城市的重要表現(xiàn)手段［2］，也是當(dāng)今智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)施。由于四川盆地常年多云多雨，導(dǎo)致大部分衛(wèi)星影像被雨云遮擋，無法準(zhǔn)確觀測特定時期的特定地區(qū)，而無人機低空遙感系統(tǒng)具有很高的機動性、靈活性和安全性，可獲取多角度、高分辨率影像，不受高度限制和陰云天氣影響，且系統(tǒng)成本及影像處理費用較低［3］。

本文以四川德陽市為例，針對當(dāng)前城市三維模型構(gòu)建中的問題，提出了一種基于無人機影像的快速三維模型構(gòu)建技術(shù)，并應(yīng)用于德陽市三維模型構(gòu)建。

1 3DCM的研究現(xiàn)狀

3DCM（三維城市模型）作為當(dāng)前城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容，是一項投資巨大、技術(shù)要求復(fù)雜的工程，其技術(shù)水平是影響三維城市模型建設(shè)與更新工作效率的重要制約因素。如何提高三維城市模型數(shù)據(jù)獲取的自動化水平成為三維城市模型應(yīng)用的瓶頸問題［4］。當(dāng)前三維城市模型的數(shù)據(jù)源主要有遙感影像數(shù)據(jù)、近景數(shù)據(jù)和GIS導(dǎo)出數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的三維城市建模方法，主要包括：

1）基于二維GIS的三維城市建模方法。通過現(xiàn)有GIS成果庫，利用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM，以及豐富的地物要素快速從二維城市GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維城市模型［5］。

2）基于激光掃描的三維城市建模方法。這種方法主要通過機載激光雷達(dá)采集地面點坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)后處理分離地面點與地物點重構(gòu)地面三維模型，優(yōu)點在于不用采集過多控制點，高程精度較高，但對地面紋理獲取不足。

3）基于攝影測量的三維城市建模方法，它使得同時獲取大量復(fù)雜的三維城市模型的幾何信息和紋理信息的自動化成為可能，特別隨著近年來高分辨率遙感技術(shù)和計算機圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字?jǐn)z影測量被普遍認(rèn)為是當(dāng)前最適用于獲取大范圍高精度三維城市模型數(shù)據(jù)的主要手段［6］。目前，基于衛(wèi)星和航空影像數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)（LPS、VirtuoZo等）的城市建模技術(shù)已經(jīng)成熟，本文基于此思路，針對無人機影像數(shù)據(jù)提出了一套基于低空影像數(shù)據(jù)的城市三維模型的構(gòu)建方法。

2 無人機數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 低空影像采集設(shè)計方案

1）德陽市是中國重大技術(shù)裝備制造業(yè)基地，位于四川盆地成都平原東北邊緣，研究區(qū)域包括市區(qū)全域以及近郊部分區(qū)域近400km2范圍，其中1/3為丘陵，2/3為平原?；跓o人機低空影像采集平臺（見圖1），搭載Canon EOS 5DMark II相機，設(shè)計航高750m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為60%，相機焦距24.598 8mm，單張影像像素數(shù)5 616×3 744，像素尺寸0.006 4mm×0.006 4mm。

圖1 無人機數(shù)據(jù)采集平臺

2）控制點采集。根據(jù)經(jīng)驗，無人機控制點布設(shè)原則一般以航帶內(nèi)5張影像間隔一個控制點為宜，航帶間需隔一條航帶布設(shè)一個控制點，并在其中均勻布設(shè)檢查點，如圖2所示。像控點應(yīng)選取影像位置清晰、易于判別，與周圍地物顏色反差較大，特征明顯的地物點，選點均以地面、較堅固、且不易改變的目標(biāo)為主。

圖2 部分測區(qū)控制點布設(shè)示例

2.2 影像處理

相對傳統(tǒng)大飛機影像數(shù)據(jù)采集平臺，無人機平臺飛行姿態(tài)更加不平穩(wěn)，受風(fēng)速、風(fēng)向等影響更大，傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)處理無人機影像數(shù)據(jù)的限制較多，為了提高數(shù)據(jù)處理速度與精度，選擇DPGRID低空影像數(shù)據(jù)處理平臺作為該項目的數(shù)字高程模型與數(shù)字正攝影像生產(chǎn)平臺。該平臺采用改進(jìn)的影像匹配算法，實現(xiàn)自動空三、DEM與正射影像自動生成，自動化程度大大提高。主要處理飛艇、無人直升機、無人固定翼飛機等低空遙感平臺獲取的低空遙感影像。其主要處理流程如圖3所示。

圖3 無人機影像數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)以上流程，首先通過POS數(shù)據(jù)選取航帶內(nèi)影像，剔除非航帶內(nèi)影像（無人機上升過程中拍攝的影像），利用DPGRID低空模塊對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變糾正、排列航帶、旋轉(zhuǎn)影像等，使得影像數(shù)據(jù)按順序排列；隨后基于該模塊進(jìn)行影像自動匹配、提取特征點；添加外業(yè)采集的控制點，進(jìn)行空三加密，反復(fù)平差，直到達(dá)到無人機內(nèi)業(yè)精度要求為止［7］。最后進(jìn)行勻光勻色、影像鑲嵌等后處理，生成DEM和DOM。特別是，無人機影像飛行高度低，受地形起伏影響明顯。在城區(qū)，一般房高都在6層以上，且隨著城市發(fā)展，高層建筑（一般20層以上）不斷增加，這種影響越加嚴(yán)重。對于飛行高度750m（甚至更低）的無人機影像，直接生產(chǎn)的城區(qū)DEM是不準(zhǔn)確的，不能正確反映地面高程，故需大量的DEM編輯工作，如圖4所示。

圖4 DEM與DOM編輯

3 城市三維模型構(gòu)建

圖5展示了通過攝影測量同時獲取的DEM和DOM構(gòu)建三維模型和采用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM與攝影測量生產(chǎn)的DOM疊合構(gòu)建三維模型，并與相關(guān)專題數(shù)據(jù)合成的技術(shù)流程。在德陽市城區(qū)三維建模實際生產(chǎn)過程中，由于擁有較完善數(shù)字德陽地形成果數(shù)據(jù)，故首先考慮利用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM，與無人機DOM疊合構(gòu)建三維地形模型，但是二者坐標(biāo)系并不統(tǒng)一（前者為西安80坐標(biāo)系，后者為德陽地方坐標(biāo)系），坐標(biāo)匹配較困難。

圖5 基于無人機影像的城市三維集成技術(shù)流程

在DOM生產(chǎn)過程中，首先需要生產(chǎn)DEM，二者坐標(biāo)系統(tǒng)一，所以采用攝影測量獲取的DEM與DOM構(gòu)建城市三維模型是較快捷的方法。

這里，我們選擇Skyline TerraSuit來搭建和展示整個三維場景。它具有靈活、簡便的建模工具，穩(wěn)定的軟件功能以及組件化的軟件體系，是獨立于硬件之外，多平臺、多功能的一套軟件系統(tǒng)。它包含3類產(chǎn)品：TerraBuilder，創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫；TerraExplorer Pro，添加場景；TerraGate，允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三維數(shù)據(jù)［8－9］。步驟如下：

1）三維地表模型構(gòu)建。三維地表模型主要包括DEM和DOM，通過在TerraBuilder中疊合DEM與DOM，并生成Skyline自帶的三維數(shù)據(jù)格式（mpt），它支持三維數(shù)據(jù)的無級縮放，能夠高效地展示三維數(shù)據(jù)模型。如圖6所示。

圖6 基于Skyline的三維模型成果示例

2）三維建筑物模型建立。這里有兩種選擇，一是通過建模軟件（3DMAX、SketchUp）逐個構(gòu)建地上建筑物模型，然后分批在TerraExplorer Pro平臺中導(dǎo)入建成建筑物模型。另一種即根據(jù)影像數(shù)據(jù)，在VirtuoZo平臺下通過立體測圖人工測繪地上建筑物，并導(dǎo)出模型，最終導(dǎo)入TerraExplorer Pro平臺。前者多用于地上建筑物等的精細(xì)建模，例如城市地標(biāo)建筑物，但是它的成本較高，不利于批量生產(chǎn)；后者適用于快速批量生產(chǎn)，且模型精度較高，但是對于建筑物的紋理表現(xiàn)不如后者清晰。對于德陽市三維模型構(gòu)建，選擇兩者結(jié)合的方式，部分精細(xì)建模，批量生產(chǎn)城市地上建筑物模型，搭建城市三維模型。

圖7、圖8展示了利用VirtuoZoNT3.75批量生產(chǎn)建筑物矢量圖形，并在此基礎(chǔ)上批量生產(chǎn)城市建筑物三維模型的過程。其基本原理為，批量采集屋頂高程并生成建筑物頂矢量圖形，計算其與DEM的高程差，從而生成建筑物的立體模型，并采集影像上該建筑物的側(cè)面紋理進(jìn)行側(cè)面貼圖。

圖7 建筑物矢量圖

圖8 建筑物三維圖

3）集成專題數(shù)據(jù)。通過TerraExplorer Pro平臺不僅可以高速瀏覽海量MPT格式的三維數(shù)據(jù)（見圖9），也可以在城市三維模型上疊加相關(guān)專題矢量數(shù)據(jù)，例如，加載城市規(guī)劃道路紅線，用于城市拆遷分析；添加規(guī)劃方案，對比方案與周邊地物是否協(xié)調(diào)；構(gòu)建城市地下三維管網(wǎng)，立體展示城市地下狀態(tài)。

圖9 三維模型集成展示

4）三維集成與發(fā)布。為了有效并安全地利用三維數(shù)據(jù)，搭建分布式的數(shù)據(jù)集成環(huán)境是必要的，其關(guān)鍵技術(shù)是三維數(shù)據(jù)的共享。Terrabuilder提供了海量三維數(shù)據(jù)的發(fā)布環(huán)境，其基本原理如圖10所示。

圖10 三維模型發(fā)布流程

4 DEM誤差分析

為研究無人機影像生成的DEM的可用性，這里截取全區(qū)域中丘陵區(qū)域18km2的無人機DEM與通過地形圖生成的DEM作對比分析，其網(wǎng)格數(shù)為801×1201，其中無人機DEM高程范圍為478～654m，如圖11（b）所示；地形圖生成的參照DEM高程范圍為481～653m，如圖11（a）所示。首先將兩幅tif格式的DEM柵格數(shù)據(jù)輸出為txt格式文件，基于Matlab7.0實現(xiàn)兩者對應(yīng)像元高程差值分析，生成一幅高程差值圖，其最小差值為－17.2m，最大差值為16m，均值為1.6341m，標(biāo)準(zhǔn)差為2.815 4m，如圖11（c）所示。淺色區(qū)域高程值大，深色區(qū)域高程值小。其統(tǒng)計直方圖如圖11（d）所示。

圖11 DEM差值統(tǒng)計

5 結(jié) 論

1）利用0.2m無人機高分辨率影像數(shù)據(jù)，基于DPGRID低空模塊生產(chǎn)德陽市400km2DOM與DEM，采用Skyline平臺集成DOM與DEM，獲取了該區(qū)域地表三維模型。為基于無人機快速建立三維地表模型積累寶貴經(jīng)驗。

2）在VirtuoZoNT3.75和Dibud平臺支持下，基于多張傾斜攝影的無人機影像自動提取建筑物表面紋理，從而避免大量的實地考察工作量，降低工作強度，提高作業(yè)效率，更重要的是實現(xiàn)建筑物三維重建的真實紋理。

3）分析典型丘陵地區(qū)，比較無人機生產(chǎn)的DEM和參考DEM的誤差情況，為讀者利用無人機DEM建立三維地表模型提供可靠性參考。

［1］羅敏.基于VrMap與Sketch up的城市三維模型構(gòu)建［J］.福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37（3）：353－356.

［2］史文中，曹輝，張劍清.基于高分辨率影像的城市三維建模［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2004，29（9）：783－787.

［3］何磊，苗放，唐姝婭，等.無人機遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用［J］.物探化探計算技術(shù)，2010，32（3）：206－212.

［4］朱慶，林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)—虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

［5］譚仁春.三維城市模型的研究現(xiàn)狀綜述［J］.城市勘測，2007（3）：42－46.

［6］Brenner C，Haala N.Automated Reconstruction of 3D City Models［J］.In 3DSynthetic Environment Reconstruction（Edited by：Abdelguerfi M.），KluwerAcademic Publishers Norwell，2001：75－101.

［7］中測（北京）遙感技術(shù)有限責(zé)任公司.CH/Z＿3003－2010，低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范［S］.北京：測繪出版社，2010.

［8］唐楨，張新長，曹凱濱.基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究［J］.測繪通報，2010（5）：10－12.

［9］鄧潔，夏春林，王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23（5）：529－532.

［10］雷添杰，李長春，何孝瑩.無人機航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2011，20（1）：178－183