基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維實(shí)景建模技術(shù)研究

馮啟翔

（1.廣州市房地產(chǎn)測繪院（廣州市測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心），廣東 廣州 510030）

目前，傳統(tǒng)大范圍三維城市數(shù)字建模的方法主要是測量建模的方法[1,2]，測量外業(yè)人員采用現(xiàn)場拍照的方法，獲得構(gòu)筑物的外觀構(gòu)造及紋理信息，內(nèi)業(yè)人員根據(jù)外業(yè)人員采集的照片，結(jié)合數(shù)字化地形圖、正射影像圖等數(shù)據(jù)，建立白模，通過拍攝照片的紋理分析模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上[3]。使用這種方法建模人工量大，需時較長，出現(xiàn)人為誤差的幾率增大，并不能滿足大范圍建模的要求[4]。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)[5]，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從一個垂直、4個傾斜等5個不同的角度同時曝光，采集影像[6]。利用傾斜攝影技術(shù)可以快速建立三維城市模型，節(jié)省了模型細(xì)部分析時間，簡化了模型紋理采集和處理方法，縮短了項(xiàng)目周期，提高了工作效率，降低了成本[7]。現(xiàn)在，進(jìn)口傾斜攝影的后處理軟件在國內(nèi)的應(yīng)用推廣以法國ASTRIUM公司的StreetFactory、法國Acute3D公司的Smart3DCapture及瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的Gruen和Xinhua開發(fā)的TOBAGO與Cyber-City Modeler系統(tǒng)最具代表性[8,9]。

以廣州市番禺區(qū)海心村美麗鄉(xiāng)村的三維實(shí)景建模技術(shù)為例，通過采用大疆PHANTOM 4無人機(jī)獲取海心村各個方位的影像照片數(shù)據(jù)，利用法國Acute3D公司的Smart 3D Capture Master軟件進(jìn)行全自動化的快速建模處理，完成了美麗鄉(xiāng)村的三維模型構(gòu)建。該軟件可實(shí)現(xiàn)計算機(jī)自動建模，所需人工操作簡單，通過分析數(shù)據(jù)建模流程及軟件建模的成果，更能為美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)提供有效的數(shù)據(jù)支撐和直觀的三維實(shí)景模型。

1 研究區(qū)域與無人機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.1 研究區(qū)域概況

采用廣東省廣州市番禺區(qū)海心村美麗鄉(xiāng)村作為本文三維實(shí)景建模技術(shù)研究區(qū)域，海心村地理位置為22°57′32.94″N、113°30′40.85″E，屬于番禺區(qū)石樓鎮(zhèn)行政區(qū)域范圍內(nèi)，海心村區(qū)域面積約13 km2，距離番禺中心市區(qū)約17 km，離石樓鎮(zhèn)城區(qū)約4 km，依據(jù)番發(fā)改函［2016］656號文確認(rèn)為市級美麗鄉(xiāng)村項(xiàng)目。多方位航拍攝影圖如圖1所示。

圖1 番禺區(qū)海心村多方位航拍攝影圖

1.2 無人機(jī)相關(guān)參數(shù)

研究區(qū)域采用大疆PHANTOM 4無人機(jī)搭載獲取各個方向影像數(shù)據(jù)的鏡頭，搭載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、IMU傳感器，可以協(xié)助無人機(jī)獲取飛行時的實(shí)時圖像、深度及定位等信息。具體參數(shù)如表1，無人機(jī)外觀如圖2所示。

表1 大疆PHANTOM 4無人機(jī)參數(shù)

圖2 大疆PHANTOM 4無人機(jī)外觀圖

1.3 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)域概況，外業(yè)共布設(shè)控制點(diǎn)59個，檢查點(diǎn)15個，坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系，地形底圖數(shù)據(jù)采用全國第二次土地調(diào)查成果，控制點(diǎn)精度符合1∶500大比例尺成圖要求。研究區(qū)域控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)分布示意圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)分布示意圖（圖中三角點(diǎn)：控制點(diǎn)、交叉點(diǎn)：檢查點(diǎn)）

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 解析空中三角測量

空中三角測量按照數(shù)學(xué)模型可分成航帶法、獨(dú)立模型法、光束法3種，3種區(qū)域網(wǎng)平差的對比如表2所示。

表2 空中三角測量三種區(qū)域網(wǎng)平差的對比

解析空中三角測量的基本數(shù)學(xué)模型為共線方程式，共線方程式是攝影測量中最基本、最重要的關(guān)系式。所謂共線方程就是指中心投影的像方程，即在攝影成像過程中，攝影中心S、像點(diǎn)a及其對應(yīng)的地面點(diǎn)A三點(diǎn)位于一條直線上。此時，攝影中心S點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)（XS,YS,ZS）、像點(diǎn)a的像片坐標(biāo)（x,y）以及對應(yīng)地面點(diǎn)A的物方空間坐標(biāo)（XA,YA,ZA）滿足[10]：

根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，采用Smart 3D Capture Master軟件進(jìn)行空三計算，并開展快速建模工作。

2.2 Smart 3D Capture Master軟件參數(shù)設(shè)置

本文研究區(qū)域建模范圍呈東西走向，在對該區(qū)域建模時需對Smart 3D Capture Master軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，主要設(shè)置的具體參數(shù)有以下幾個方面，參數(shù)設(shè)置例圖如4所示。

1）傳感器大小參數(shù)；

2）焦距參數(shù)；

3）空間參考系參數(shù)；

4）驗(yàn)證控制點(diǎn)輸入是否正確；

5）對驗(yàn)證后的控制點(diǎn)加載相對應(yīng)的影像照片；

6）檢查控制點(diǎn)的分布狀況。

圖4 Smart 3D Capture Master軟件主要參數(shù)設(shè)置示意圖

2.3 三維實(shí)景建模工作流程

三維實(shí)景快速建模工作具體可劃分為兩個部分：

1）前期影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與預(yù)處理：①歸類正射影像和其他四個傾斜角度所采集的影像數(shù)據(jù)；②航拍時所設(shè)計的航線軌跡圖；③處理無人機(jī)POS記錄數(shù)據(jù)；④整理像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2）三維實(shí)景快速建模：①采用Smart 3D Capture Master軟件建立工程；②導(dǎo)入處理好的正射影像和其他4個傾斜角度所采集的影像數(shù)據(jù)，并相應(yīng)填寫傳感器大小參數(shù)、焦距參數(shù)及相機(jī)校檢，同時查看POS數(shù)據(jù)信息；③添加像控點(diǎn)，并選擇與像控點(diǎn)相關(guān)的空間參考系統(tǒng)和高程系統(tǒng)；④空間關(guān)系檢查，檢查確定像控點(diǎn)位置與實(shí)際布設(shè)情況是否一致；⑤建立“空三”關(guān)系模型，選擇“空三”在區(qū)域內(nèi)的定位和定向，進(jìn)行空中三角測量計算；⑥計算提交三維模型，選擇分瓦及紋理的大?。ù颂幮枳⒁庾畲笸咂募y理不超過100Mpixls），之后可以選擇所需的數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出具體的成果，其中數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括三維模型、三維點(diǎn)云、正射影像圖，可修飾三維模型，僅用于參考三維模型。三維實(shí)景快速建模工作示意圖如圖5。

圖5 三維實(shí)景快速建模工作示意圖

3 精度評定及結(jié)論分析

3.1 精度評定

研究區(qū)域采用樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差計算總體偏差值，具體公式為：

式中，N為樣本總體個數(shù)，為所選擇樣本的均值。表3為三維實(shí)景模型精度評定結(jié)果，如表3數(shù)據(jù)所示，15個檢查點(diǎn)在x、y、z3個方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別為0.039 m、0.073 m、0.048 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差值顯示符合1∶500大比例尺成圖的要求。

表3 三維實(shí)景模型精度評定結(jié)果

3.2 結(jié)論分析

2018年2月筆者所在單位采用大疆PHANTOM 4無人機(jī)獲取廣州市番禺區(qū)海心村美麗鄉(xiāng)村的傾斜攝影數(shù)據(jù)，并實(shí)施了快速建模工作，部分模型效果如圖6所示。

圖6 廣州市番禺區(qū)海心村美麗鄉(xiāng)村部分模型效果

本次無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景建模項(xiàng)目共計完成約13 km2的三維建模，模型紋理清晰，表3所示x、y、z3個方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差值精度可符合1∶500大比例尺成圖要求。在美麗鄉(xiāng)村三維實(shí)景建模項(xiàng)目中，與正射影像及傳統(tǒng)建模方法對比，三維實(shí)景建模具有表4所示的優(yōu)勢。經(jīng)研究表明，結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維實(shí)景建?？梢詼p少人工工作量，使模型紋理更加清晰，并可量取構(gòu)筑物標(biāo)高、長寬及相應(yīng)面積，另外還可以量測角度及坡度等信息，讓政府職能部門人員從多個視角查看各類要素，而且更能反映現(xiàn)狀的真實(shí)性，現(xiàn)勢性尤為顯著，最終為美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃建設(shè)提供重要的數(shù)據(jù)支持。

表4 傾斜攝影三維建模與正射影像及傳統(tǒng)建模對比

4 結(jié)論與討論

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)結(jié)合Smart 3D Capture Master軟件對廣州市番禺區(qū)海心村美麗鄉(xiāng)村實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景建模之后得出以下結(jié)論：

1）能夠更好地控制項(xiàng)目成本。相對于傳統(tǒng)的建模技術(shù)，人工成本減少，勞動強(qiáng)度降低，從而節(jié)約了項(xiàng)目成本。

2）能夠更好地提高項(xiàng)目效率。在達(dá)到項(xiàng)目精度要求的前提下，減少了外業(yè)量，縮短了項(xiàng)目周期，并確保項(xiàng)目工期時間。

3）能夠更好地表達(dá)現(xiàn)勢性要素。傾斜攝影三維實(shí)景模型中，體現(xiàn)要素齊全，能夠客觀反映真實(shí)性，還原現(xiàn)狀情況，為美麗鄉(xiāng)村的規(guī)劃建設(shè)提供更為客觀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4）能夠更好地提供現(xiàn)狀信息。傾斜攝影三維實(shí)景模型，可供政府職能部門人員量取長度、寬度、標(biāo)高、高程、面積及坡度等相關(guān)的現(xiàn)狀信息。

本文的技術(shù)方法可推廣至廣州市美麗鄉(xiāng)村各個村莊項(xiàng)目中，為實(shí)現(xiàn)建設(shè)美麗鄉(xiāng)村、建設(shè)幸福家園提供規(guī)劃保障。