無人機(jī)單鏡頭傾斜攝影測(cè)量及三維建模技術(shù)方法研究

余章蓉，范鴻潤(rùn)，朱景輝，羅濟(jì)彬，郭乾政

摘 ?要： 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以其高效、高精度等優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展。本文以具體項(xiàng)目為例，研究了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)測(cè)量工作的儀器設(shè)備、作業(yè)流程及相關(guān)的施測(cè)方法，并對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得三維模型的過程及達(dá)到的精度進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)證明，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量及三維建模，可快速獲得測(cè)區(qū)的三維數(shù)據(jù)模型及地形數(shù)據(jù)等。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī);傾斜攝影測(cè)量;三維建模

中圖分類號(hào)： P231 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.012

本文著錄格式：余章蓉，范鴻潤(rùn)，朱景輝，等. 無人機(jī)單鏡頭傾斜攝影測(cè)量及三維建模技術(shù)方法研究[J]. 軟件，2019，40（12）：5155

Research on UAV Single Lens Tilt Photogrammetry and 3D Modeling Technology

YU Zhang-rong， FAN Hong-run， ZHU Jing-hui， LUO Ji-bin， GUO Qian-zheng

（KunMing University of Science and Technology Oxbridge College）

【Abstract】： The measurement technology of the unmanned aerial vehicle （UAVs） has been developed rapidly with its high efficiency and high precision. Taking a specific project as an example， this paper studies the instrument and equipment， the operation process and the related application method of the measurement of the external industry of the unmanned aerial vehicle， and analyses the process of obtaining the three-dimensional model by processing the data of the external industry and the accuracy of the obtained three-dimensional model. The experimental results show that the three-dimensional data model and the terrain data of the measurement area can be obtained quickly by using the oblique photogrammetry and three-dimensional modeling of the unmanned aerial vehicle.

【Key words】： Unmanned aerial vehicle; Tilt photogrammetry; 3D modeling

0 ?引言

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，打破了傳統(tǒng)航測(cè)遙感影像只能垂直拍攝的限制，能從不同角度對(duì)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，高效的獲取數(shù)據(jù)，對(duì)地面情況進(jìn)行真實(shí)可靠的反映，滿足人們對(duì)地面三維信息的需要。目前，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已開始在生產(chǎn)實(shí)踐過程中應(yīng)用，傾斜影像構(gòu)建的三維模型已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、公共安全、通信、軍事等眾多領(lǐng)域[1-2]。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量新技術(shù)將使測(cè)繪行業(yè)的作業(yè)方式、生產(chǎn)效率及產(chǎn)品使用等產(chǎn)生巨大的改變。

傳統(tǒng)的地圖可視化多采用二維形式，對(duì)測(cè)量區(qū)域的地面點(diǎn)的平面位置有較好的反映。而傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，從多方位、多角度采集地面影像，可以從影像中確定空間地物的位置，還能獲得建構(gòu)筑物的建筑結(jié)構(gòu)、色彩、紋理等。通過影像可建立實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型，使用戶能很直觀的從三維模型上判讀地面情況，同時(shí)地物紋理更豐富、效果更逼真。三維地理信息系統(tǒng)比二維地圖更能全面、直觀、真實(shí)地反映地物和地形的形狀、紋理和環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)從空中到地面再到地下的數(shù)據(jù)一體化，是地理信息產(chǎn)品升級(jí)的重要發(fā)展方向[3]。

本文以具體項(xiàng)目為例，研究了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量外業(yè)測(cè)量工作的儀器設(shè)備、作業(yè)流程及相關(guān)的施測(cè)方法，并對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得三維模型的過程及達(dá)到的精度進(jìn)行分析。

1 ?研究項(xiàng)目概況及軟硬件情況

1.1 ?項(xiàng)目概況

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院高新校區(qū)進(jìn)行三維可視化研究，采用的建設(shè)步驟為先進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，然后利用Smart3D軟件進(jìn)行建模，生成三維模型。

本次測(cè)區(qū)位于昆明高新區(qū)，中央子午線經(jīng)度102°，緯度25°。地塊工整、地勢(shì)平坦，地塊整體呈西偏北約25°方向，東西向長(zhǎng)約400米，南北向?qū)?/p>

圖1 ?測(cè)區(qū)分布圖

Fig.1 ?Survey area distribution map

約250米。地塊周邊均為城市市政道路。地塊內(nèi)最高建筑為西南角的雙子樓，高度約70米。地塊東南方向約90米處有高100米建筑，西南方向約120米處有高100米建筑，周邊其他建筑均為低層及多層建筑。

1.2 ?軟硬件情況

傾斜攝影測(cè)量多采用旋翼或固定翼無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行[3-5]。本項(xiàng)目位于城市建成區(qū)域，周邊建筑密集，且是學(xué)校，考慮到搭載五鏡頭的無人機(jī)一般機(jī)型及噪音較大，且飛行費(fèi)用昂貴，從降低飛行難度、減小對(duì)周邊環(huán)境的影響及降低費(fèi)用出發(fā)，外業(yè)攝影測(cè)量采用大疆Mavic Pro2四旋翼無人機(jī)+Hasselblad能夠調(diào)整姿態(tài)的單鏡頭相機(jī)為硬件，搭載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)及IMU傳感器。單鏡頭相機(jī)與常用的五鏡頭相機(jī)相比，具有飛行器小、操作簡(jiǎn)單，噪音小等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)精度上較五鏡頭相機(jī)相對(duì)低，但實(shí)驗(yàn)證明，通過布設(shè)井字形的多條航線及提高航向及旁向重疊度等，最終成果可達(dá)到國(guó)家相關(guān)規(guī)范所要求的精度。

內(nèi)業(yè)三維建模采用Smart 3D軟件，它是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件，無需人工干預(yù)，可從簡(jiǎn)單連續(xù)的影像中生成最逼真的實(shí)景真三維精細(xì)模型[6]。

表1 ?大疆Mavic Pro2無人機(jī)技術(shù)參數(shù)

Tab.1 ?Technical Parameters of Mavic Pro2 Unmanned Aerial Vehicle in Dajiang

型號(hào) 飛行時(shí)間 最大續(xù)航

里程 最大上升

速度 最大下降

速度 最大水平

飛行速度 最大可

傾斜角 最大飛行

海拔高度 最大可

承受風(fēng)速

飛行器 Mavic Pro2 21分鐘 10 km 4 m/s 3 m/s 10 m/s 35° 5000 m 5級(jí)風(fēng)

型號(hào) 像素 鏡頭視角 鏡頭焦距 光圈 對(duì)焦點(diǎn) 照片最大分辨率 圖片格式 支持文件系統(tǒng)

相機(jī) Hasselblad 1200萬像素 85° 24 mm f/2.8 0.5 m至無窮遠(yuǎn) 4056×3040 JPG/DNG FAT312

圖2 ?大疆Mavic Pro2無人機(jī)

Fig.2 ? Dajiang mavic pro2 UAV

2 ?具體的實(shí)施過程

2.1 ?傾斜攝影測(cè)量

利用無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)的傾斜攝影測(cè)量，其主要步驟為：

（1）攝影測(cè)量方案設(shè)計(jì)。

對(duì)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，了解現(xiàn)場(chǎng)情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇航攝時(shí)間，設(shè)計(jì)航攝路線等[7-9]。

（2）航攝技術(shù)參數(shù)設(shè)定。

地塊建筑主要為多層建筑，高度適中，且建筑密度不高，地塊東南方向約90米處有高100米建筑，西南方向約120米處有高100米建筑，周邊其他建筑均為低層及多層建筑。測(cè)量比例尺定為1∶500。為提高精度并滿足空域安全要求，飛行高度設(shè)置為130米。傾斜攝影測(cè)量航線采用專業(yè)軟件設(shè)計(jì)，航帶布設(shè)平行于東西向及南北向，航線數(shù)共29條，其中東西向17條，南北向12條，交叉飛行，航線間距30 m，拍照間距20 m。飛機(jī)飛行速度設(shè)置為10米/秒。為提高航攝精度，航向重疊度和旁向重疊度均設(shè)置為85%。

另進(jìn)行了正射影像測(cè)量，航線沿東西向布設(shè)13條，航向重疊度及旁向重疊度均設(shè)置為80%。航線間距33 m，拍照間距22 m。飛機(jī)飛行速度設(shè)置為10米/秒。

傾斜影像及正射影像均用于三維建模。

（3）傾斜攝影測(cè)量。硬件設(shè)備條件允許情況下可搭載POS直接獲取像片中心點(diǎn)坐標(biāo)，較少像控點(diǎn)數(shù)量。飛行時(shí)間定在下午2點(diǎn)半開始，起飛點(diǎn)位于地塊中心，即學(xué)校的足球場(chǎng)，場(chǎng)地開闊，便于操作及視線良好。

（4）像控測(cè)量。選擇分布合理的像片控制點(diǎn)。為提高像控測(cè)量的效率和精度，采用GNSS RTK技術(shù)進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量。根據(jù)研究區(qū)域的范圍及地理特征，布設(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)，其主要分布于測(cè)區(qū)內(nèi)部及周邊比較明顯的特征點(diǎn)上。采用GNSS RTK技術(shù)測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，利用昆明市連續(xù)運(yùn)行GPS參考站系統(tǒng)，即采用CORS的方式進(jìn)行GNSS RTK測(cè)量，直接獲取控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)成果。

圖3 ?傾斜攝影測(cè)量航線布設(shè)圖

Fig.3 ?Layout of inclined photogrammetry route

圖4 ?正攝航線布設(shè)圖

Fig.4 ?Forward route layout

圖5 ?外業(yè)測(cè)量

Fig.5 ?Field survey

圖6 ?像控點(diǎn)測(cè)量

Fig.6 ?Image control point measurement

2.2 ?利用Smart3D進(jìn)行三維建模

與傳統(tǒng)的手工建模相比，Smart3D建模具有周期短、效率高、費(fèi)用低、模型效果更真實(shí)等特點(diǎn)[9-10]。在外業(yè)獲取影像數(shù)據(jù)后，運(yùn)用Smart3D軟件進(jìn)行三維建模。采用Smart 3D軟件進(jìn)行實(shí)體三維建模。建模過程首先建立工程文件，然后倒入影像，設(shè)置影像焦距、傳感器大小等參數(shù)，導(dǎo)入影像pos信息，提交空三運(yùn)算。空三運(yùn)算介紹后查看報(bào)告，若每對(duì)連接點(diǎn)的誤差小于1像素，則說明空三結(jié)果合格。若連接點(diǎn)誤差偏大，則可在進(jìn)行一次空三運(yùn)算，進(jìn)行影像偏差糾正。加入各種輔助數(shù)據(jù)：攝像頭的屬性（焦距、傳感器尺寸、主點(diǎn)、鏡頭失真），照片位置，照片旋轉(zhuǎn)度，控制點(diǎn)信息等，輸出高分辨率的帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)絡(luò)模型。生成的三維網(wǎng)絡(luò)模型能夠準(zhǔn)確精細(xì)的表現(xiàn)出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成，從而完成三維模型。

三維建模具體流程如下圖。

圖7 ?Smart3D建模流程圖

Fig.7 ?Smart3D Modeling Flowchart

（1）新建工程

利用Smart3D軟件建模，首先需新建工程 ?文件。新建過程中需主要存放路徑避免出現(xiàn)中文字符。

（2）影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入

導(dǎo)入外業(yè)采集的影像數(shù)據(jù)，可單張導(dǎo)入，也可按文件夾導(dǎo)入。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，已經(jīng)GPS定位，影像數(shù)據(jù)已攜帶經(jīng)度、緯度、高度pos數(shù)據(jù)。導(dǎo)入完成后，自動(dòng)生成感應(yīng)器尺寸、焦距、位置和角元素等信息。完成之后可獲得像點(diǎn)3D視圖如下。

圖8 ?Smart3D新建工程

Fig.8 ?Smart3D new project

圖9 ?導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)及像點(diǎn)視圖

Fig.9 ?Import image data and image point view

（3）像控點(diǎn)輸入

將外業(yè)測(cè)得的像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到Smart3D軟件中，以便后期建立的三維模型具有實(shí)際的坐標(biāo)位置。

（4）提交空中三角測(cè)量

（根據(jù)像控?cái)?shù)據(jù)，引入影像數(shù)據(jù)，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，并求得加密點(diǎn)的平面位置和高程。最終確定整個(gè)測(cè)區(qū)的定位，從而獲得測(cè)區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)的絕對(duì)位置。）空中三角測(cè)量在Smart3D軟件環(huán)境下進(jìn)行，該軟件可自動(dòng)進(jìn)行空三加密，計(jì)算出每張影像的位置、姿態(tài)角等信息以及確定影像間的相對(duì)位置關(guān)系。

（5）重新構(gòu)建模型

空三運(yùn)算完成后，可進(jìn)行三維模型重建。Smart 3D軟件自動(dòng)化程度高，按要求輸入相關(guān)參數(shù)并生成結(jié)果即得到瀏覽式三維模型、點(diǎn)云格式及可修飾的三維模型等。

2.3 ?利用清華三維EPS生成數(shù)字線劃圖

完成三維建模后，利用清華三維EPS軟件，采集項(xiàng)目范圍內(nèi)的地物、地貌的特征點(diǎn)，經(jīng)過圖形加工，最終生成1∶500數(shù)字線劃圖。

2.4 ?成果數(shù)據(jù)精度分析

對(duì)生成的1∶500數(shù)字線劃圖與已有的1∶500地形圖成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，共設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)48個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在建筑拐點(diǎn)，花臺(tái)拐點(diǎn)等位置明確的地區(qū)特征點(diǎn)上[11-13]，經(jīng)比對(duì)坐標(biāo)，各點(diǎn)的平面點(diǎn)位中誤差在0.30 m范圍內(nèi)，整體平面中誤差為0.21 m。《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015- 2012）對(duì)1∶500三維模型的精度要求為平面0.3 m;《國(guó)家基本比例尺地圖1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖》（GB/T33176-2016）對(duì)1∶500地形圖平面精度要求為平地0.3 m、山地0.4 m，可見，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在平面位置上滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖10 ?三維模型成果

Fig.10 ?3D model results

圖11 ?數(shù)字線劃圖

Fig.11 ?Dlg， digital line graphic

3 ?作業(yè)過程中相關(guān)注意事項(xiàng)分析

3.1 ?外業(yè)測(cè)量需要注意的事項(xiàng)：

拍攝前需進(jìn)行影像質(zhì)量及飛行質(zhì)量檢查，檢查的主要內(nèi)容為：影像清晰度、色調(diào)及反差等，飛行質(zhì)量檢查主要內(nèi)容為：相機(jī)鏡頭、曝光時(shí)間、航攝視角，航向及旁向重疊度、航攝環(huán)境條件等[14]。

像控點(diǎn)應(yīng)選擇在目標(biāo)明顯的特征點(diǎn)上，一般 選擇道路的交叉點(diǎn)、路標(biāo)的交叉點(diǎn)等。需注意以下問題：

（1）注意控制點(diǎn)是否會(huì)被遮蓋，比如陰影處、房角、圍墻等容易被遮擋的地方不宜選用控制點(diǎn)。

（2）主要目標(biāo)與地面有明顯的色差，容易分辨。

（3）影像邊緣部分清晰度差，像控點(diǎn)不宜布設(shè)在測(cè)區(qū)邊緣。

3.2 ?內(nèi)業(yè)三維建模過程需要主要事項(xiàng)

內(nèi)業(yè)三維建模完成后，一般會(huì)存在建筑頂面模型放大后小細(xì)節(jié)會(huì)出現(xiàn)扭曲、拉花等現(xiàn)象。地面植被存在與其他地物粘連、懸浮等現(xiàn)象[15-16]。在內(nèi)業(yè)處理過程中，需注意一下問題：

（1）影像數(shù)據(jù)需進(jìn)行預(yù)處理

需對(duì)影像進(jìn)行勻光勻色、畸變差改正及POS數(shù)據(jù)整理。剔除無POS記錄和有飛機(jī)明顯掉頭轉(zhuǎn)彎的影像數(shù)據(jù)，并確保影像和數(shù)據(jù)有很好的匹配關(guān)系。

（2）自動(dòng)建模時(shí)，若數(shù)據(jù)量大于電腦內(nèi)存，需進(jìn)行分區(qū)處理。

（3）注意數(shù)據(jù)組織及存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)、組織需符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)文件格式及命名需滿足軟件要求，數(shù)據(jù)文件的完整性需進(jìn)行注意等。

（4）建模完成后，需對(duì)模型完整性進(jìn)行檢查。重點(diǎn)檢查建筑主體是否存在模型多余、遺漏等情況，模型扭曲情況及紋理變形情況等。檢查場(chǎng)景是否完整，如水面是否存在漏洞、場(chǎng)景是否有接邊錯(cuò)誤等。

4 ?結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作為新的測(cè)繪技術(shù)方法及手段，以其高性價(jià)比、精度高、便捷高效等優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展。攝影測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)Smast3D等專業(yè)處理軟件建模獲得直觀性強(qiáng)、效果好的成果數(shù)據(jù)，經(jīng)過加工可獲得數(shù)字線劃圖、三維實(shí)景模型等。

本文主要介紹傾斜攝影測(cè)量及三維建模的外業(yè)測(cè)量操作流程及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)方法等，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量進(jìn)行了一定的分析，通過實(shí)例進(jìn)行了演示及分析論證，以期對(duì)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量及三維建模的作業(yè)流程、技術(shù)方法及質(zhì)量研究等提供一定的技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]邱春霞， 董乾坤， 劉明. 傾斜影像的三維模型構(gòu)建與模型優(yōu)化[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2017（5）： 31-35.

[2]閆東， 周乃恩. 彩虹無人機(jī)系列應(yīng)用及展望[J]. 軟件， 2018， 39（9）： 117-122.

[3]孫杰， 謝文寒， 白瑞杰. 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)研究與應(yīng)用[J/OL]. 測(cè)繪科學(xué). http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4415.p. 20190412.0933.004.html

[4]畢凱， 趙俊霞， 丁曉波， 劉飛. 傾斜航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)與成果質(zhì)量檢驗(yàn)[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2017（4）： 71-76.

[5]關(guān)麗， 丁燕杰， 張輝， 等. 面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2017， （2）： 90-94.

[6]薄正權(quán)， 張宇. 傾斜攝影在長(zhǎng)春市城市建模中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)， 2016， （3）： 93-96.

[7]張畢祥. 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的研究[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 146-151.

[8]李威， 李國(guó)柱. 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪地籍圖的可行性研究[J]. 軟件， 2018， 39（12）： 181-186.

[9]梁靜， 李永利， 戴曉琴， 等. 基于無人機(jī)傾斜影像的數(shù)字校園三維重建[J]. 測(cè)繪與空間地理信息， 2018， （8）： 139， 141， 145.

[10]熊強(qiáng)， 王雙亭， 王曉宇， 等. 基于Smart3D的傾斜攝影測(cè)量模擬系統(tǒng)三維建模[J]. 測(cè)繪工程， 2018， （7）： 55-59.

[11]數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范： GB/T23236-2009[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2009.

[12]劉增良， 陳思， 陳品祥. 城市傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法研究與實(shí)踐[J]. 測(cè)繪通報(bào)， 2019， （2）： 108-112.

[13]柏宏強(qiáng)， 夏永華， 李澤邦， 等. 高海拔山區(qū)像控點(diǎn)分布對(duì)測(cè)量精度的影響分析[J]. 軟件， 2018第39卷第9期： 144-148.

[14]張數(shù)， 楊德宏. 數(shù)字近景攝影測(cè)量的二維影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 133-138.

[15]艾嘉豪， 朱大明. 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模中的應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 192-195.

[16]王丙濤， 王繼. 基于傾斜攝影技術(shù)的三維建模生產(chǎn)與質(zhì)量分析[J]. 城市勘測(cè)， 2015， （5）： 80-82.