基于無人機(jī)傾斜攝影的快速三維建模方法研究

王立平

摘 要：近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)以及三維建模技術(shù)的發(fā)展，基于無人機(jī)傾斜影像的快速三維建模己成為測繪領(lǐng)域的一項新技術(shù)。本文闡述了無人機(jī)傾斜攝影測量的定義和特點，研究了運(yùn)用Context Capture 進(jìn)行快速三維建模的技術(shù)路線和方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 傾斜攝影 三維建模

目前，利用航攝影像進(jìn)行空間變化監(jiān)測的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，尤其在監(jiān)測城市更新方面已經(jīng)有成熟的技術(shù)方法，但是仍無法解決監(jiān)測建筑物高度變化的問題。而傾斜攝影三維建模支持三維瀏覽、量測，包含完整的空間信息，是真實世界的直觀表達(dá)，在城市建設(shè)、工程監(jiān)測等方面的應(yīng)用愈加廣泛，優(yōu)勢愈加明顯。

1.傾斜攝影概述

傾斜攝影技術(shù)近些年發(fā)展迅速，它改變了遙感正射影像只能從垂直角度獲取的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺（5臺以上）攝影鏡頭，同時從多個不同的角度采集影像，通過后期軟件對獲取的信息進(jìn)行分析、處理、建模，最終向用戶展現(xiàn)真實的實景數(shù)據(jù)，讓用戶仿佛置身于真實世界。

2.傾斜攝影測量技術(shù)特點

（1）真實反映現(xiàn)實世界。傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界的真實反映，用戶可以多視角觀察世界，彌補(bǔ)了正射影像的的缺點。

（2）多成果輸出。傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)帶有空間地理位置信息，能同時獲取DSM，DOM，DLG等成果。相比傳統(tǒng)航空遙感攝影大大提高了工作效率，降低了工作成本。

（3）快速貼紋理三維建模。傾斜攝影測量技術(shù)借助無人機(jī)可成片區(qū)、大規(guī)模、快速、批量的采集影像數(shù)據(jù)及貼紋理，實現(xiàn)全自動化的快速三維建模。

（4）可量測數(shù)據(jù)。傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的軟件里可以進(jìn)行量測，獲取長度、寬度、高度、角度、面積、體積等信息。

3.技術(shù)流程

參照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，完成測區(qū)范圍內(nèi)傾斜航空影像數(shù)據(jù)獲取工作，具體實施流程主要為：前期踏勘收集測區(qū)的基本地理情況、三維數(shù)據(jù)采集、三維數(shù)據(jù)處理三個步驟進(jìn)行。

4.三維數(shù)據(jù)采集

4.1基本要求及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)測區(qū)基本情況提出的航攝要求，向主管部門申請航飛。經(jīng)批準(zhǔn)后，制定航攝計劃。根據(jù)實地勘察測區(qū)的地形特征和無人機(jī)的特點，參考《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T15661-2008）對測區(qū)進(jìn)行合理航線設(shè)計，基本的基本要求及技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）所獲取影像為真彩色數(shù)字影像。

（2）像片的重疊度，航向重疊度75%；旁向重疊度75%。

（3）影像質(zhì)量，獲取的測區(qū)像片應(yīng)影像清晰、反差適中，彩色色調(diào)柔和、鮮艷。

（4）漏洞補(bǔ)攝，對各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時補(bǔ)飛，漏洞補(bǔ)攝按原設(shè)計航跡進(jìn)行。

（5）后期人工處理：重點處理飛地、飛樓等突出異常模型。

4.2航高確定

數(shù)碼航空攝影的地面分辨率（GSD）取決于飛行高度，如圖2所示。

4.3航飛時間

航空影像的質(zhì)量對航攝飛行的時間有一定的要求，航攝時間受天氣條件的制約。具體要求如下：

（1）水平能見度≥1500m，垂直能見度≥1000m；

（2）多云、陰天為佳，晴天次之。雨天、暴雨天氣均不適合飛行作業(yè)；

（3）在風(fēng)速小于3級時進(jìn)行作業(yè)，風(fēng)速超過3級時，獲取的傾斜攝影照片將會不利于建模；

（4）氣流相對穩(wěn)定：每天的正午氣流相對較強(qiáng)，對飛行安全不利，同時也對影像質(zhì)量影像較大；

（5）選擇航攝時間，既要保證具有充足的光照度，又要避免過大的陰影，一般對于攝區(qū)的太陽高度和陰影倍數(shù)要求如表1所示。

注：特殊情況根據(jù)測區(qū)地形和季節(jié)天氣條件，航飛時間具體設(shè)定。

4.4航線設(shè)計

參考《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/ T15661-2008）對測區(qū)進(jìn)行合理航線設(shè)計。通常情況下航線應(yīng)按東西向或南北向直線飛行；特定條件下亦可根據(jù)地形走向與專業(yè)測繪的需要沿道路、 河流、 海岸等任意方向飛行。平行于攝區(qū)邊界線的首末航線一般敷設(shè)在攝區(qū)邊界線上或者邊界外；旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線，一般不少于像幅的30%，確保目標(biāo)攝區(qū)完全覆蓋。行高依據(jù)周邊建筑高度而定。后期如果照片存在質(zhì)量問題，將對不合格的對各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時補(bǔ)飛，漏洞補(bǔ)攝按原設(shè)計航跡進(jìn)行。

5.三維數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)傾斜攝影后期處理采用Context Capture軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模。傾斜攝影建模采用高精度、高效率、一體化的自動建模技術(shù)，建立測區(qū)三維模型。該技術(shù)集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動建模技術(shù)于一體。

5.1工程建設(shè)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)采集的坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84坐標(biāo)系，三維模型數(shù)據(jù)采用以測區(qū)幾何中心為原點的ENU（East-North-Up）坐標(biāo)系統(tǒng)。

5.2多級分辨率融合三維自動建模流程

（1）無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與地面數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行。

（2）采用Context Capture軟件，結(jié)合影像的外方位元素，進(jìn)行全自動空三解算。

（3）同時利用無人機(jī)與地面采集的影像數(shù)據(jù)，采用智能人工交互技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成一體化的三維模型。

（4）以測區(qū)幾何中心為坐標(biāo)原點，設(shè)立ENU（East-North-Up）笛卡爾坐標(biāo)系，將模型按照該坐標(biāo)系進(jìn)行切分和輸出。

（5）對數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查控制，直到其符合項目成果質(zhì)量要求。

（6）數(shù)據(jù)成果輸出成可瀏覽格式S3C和標(biāo)準(zhǔn)OBJ文件。

6.結(jié)束語

隨著建模范圍的增大，傾斜攝影技術(shù)快速的傾斜影像采集和自動化空三使得其在建模的效率上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，加上無人機(jī)靈活、機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等特點，以無人機(jī)作為傾斜攝影平臺的快速三維建模技術(shù)值得大力推廣。該技術(shù)將在海事測繪尤其是應(yīng)急測繪保障、海岸資源開發(fā)、港口建設(shè)與海洋工程監(jiān)測等方面有著廣闊應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭期兼.無人機(jī)技術(shù)在測繪測量中的應(yīng)用分析[J].科技與創(chuàng)新，2014（5）.

[2]朱國強(qiáng).無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的三維精細(xì)模型制作[J].測繪通報，2016（9）.

[3]王靜.基于無人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017（19）.