消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在實(shí)景建模中的應(yīng)用

摘要：針對小區(qū)域構(gòu)建三維模型，現(xiàn)有的建模方法需要大量的時間和人力物力，難以實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的快速獲取、存儲和在線瀏覽。本文提出了一種基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取實(shí)景三維模型的方法，介紹了通過消費(fèi)級無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影生產(chǎn)三維模型的流程和修復(fù)三維模型的方法，驗(yàn)證了通過消費(fèi)級無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測量生成三維模型的幾何精度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維模型入庫、分析、標(biāo)注屬性、在線瀏覽和單體化的功能，最終實(shí)現(xiàn)了小區(qū)域快速生成實(shí)景模型和實(shí)景模行可視化，對實(shí)際生產(chǎn)有一定意義。

Abstract： To build a three-dimensional model for a small area， the existing modeling methods need a lot of time and manpower and material resources， and it is difficult to achieve rapid acquisition， storage and online browsing of model data. This paper presents a method of obtaining three-dimensional model of real scene based on consumer-level UAV tilt photography technology， introduces the process of production of three-dimensional model based on consumer-level UAV tilt photography， expounds the method of repairing the real scene model， analyses the geometric accuracy of three-dimensional model generated by consumer-level UAV tilt photography， and realizes the storage， analysis and storage of three-dimensional model of real scene. The functions of labeling attributes， online browsing and integration， realizing fast generation of real scene model and visualization of real scene model row， have certain significance for actual production.

關(guān)鍵詞：消費(fèi)級無人機(jī);傾斜攝影測量技術(shù);實(shí)景三維模型;精度分析;三維模型可視化

Key words： consumer UAV;oblique photogrammetry technology;real scene three-dimensional model;accuracy analysis;three-dimensional model visualization

0? 引言

隨著數(shù)字城市的發(fā)展，地理信息行業(yè)迫切需要逼真且高效的可視化信息，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確的對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行實(shí)景建模，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的可視化。實(shí)景三維建模技術(shù)能夠通過多角度高分辨率影像，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到高分辨的、帶有真實(shí)紋理貼圖的三維實(shí)景模型。這種模型效果逼真，要素全面，而且可進(jìn)行空間量測和分析。

近些年，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，推動著消費(fèi)級無人機(jī)產(chǎn)業(yè)快速爆發(fā)并且得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]，并且己成為一種新式快捷高效采集高分辨率影像的平臺。專業(yè)級航攝無人機(jī)價格昂貴、起降場地要求嚴(yán)格且飛行操控需專業(yè)培訓(xùn)，而消費(fèi)級無人機(jī)價格較低、操控簡單，配合巡航軟件即可快速獲取高清數(shù)碼影像，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理能達(dá)到專業(yè)型無人機(jī)的精度效果，對于小規(guī)模建模任務(wù)具有重要指導(dǎo)意義。

1? 傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 傾斜攝影原理

傾斜攝影測量技術(shù)是在飛行平臺上搭載一臺或者多臺數(shù)碼相機(jī)，從不同角度獲取反映真實(shí)紋理的影像，結(jié)合地面控制點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)軟件處理最終生產(chǎn)實(shí)景三維模型的技術(shù)[5]。

1.2 傾斜攝影特點(diǎn)

與傳統(tǒng)垂直攝影相比，傾斜攝影主要有一下特點(diǎn)：①在得到地物的垂直影像的同時，還可以得到多個不同角度的影像;②同一區(qū)域存在多重分辨率的影像;③獲取的影像有很高的分辨率和較大的視場角[6]。

2? 消費(fèi)級無人機(jī)

消費(fèi)級無人機(jī)顧名思義，就是普通人都能夠使用的無人機(jī)，一般的價格在幾千到上萬元不等，是用來消費(fèi)、娛樂的機(jī)器。目前市場上的消費(fèi)級無人機(jī)的品牌主要有大疆、零度智控、億航、華科爾、派諾特等[7]，一般單塊電池續(xù)航時間在20分鐘左右，自帶智能云平臺，搭載單鏡頭高清相機(jī)，搭載GPS接收機(jī)、磁羅盤和紅外等多種傳感器，具有多個飛行模式，如GPS模式，姿態(tài)模式和速度模式等?？删邆渥灾黠w行/半自主飛行地能力，即能夠通過地面控制軟件完成自動起降、定點(diǎn)懸停和路線規(guī)劃等功能，使消費(fèi)級無人機(jī)進(jìn)入測繪行業(yè)成為可能。

2.1 消費(fèi)級無人機(jī)航攝系統(tǒng)組成

消費(fèi)級無人機(jī)航攝系統(tǒng)一般由無人機(jī)飛行平臺、遙控器和操控平板電腦等幾部分組成[8]。其中無人機(jī)飛行平臺包含機(jī)身、云臺相機(jī)、動力電池、螺旋槳等部分組成，用于航攝數(shù)據(jù)的獲取。遙控器用于實(shí)施對無人機(jī)飛行平臺的控制，如起飛、降落和姿態(tài)等控制。平板電腦用于飛控軟件對航線的規(guī)劃、上傳以及圖傳顯示。以大疆精靈4A為例，如圖1所示。

2.2 消費(fèi)級無人機(jī)特點(diǎn)

專業(yè)級無人機(jī)在國土測繪、數(shù)字城市、災(zāi)情檢測和電力巡查等專業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9-11]，但是消費(fèi)級無人機(jī)在小區(qū)域測繪地形圖、實(shí)景建模、土石方計(jì)算中具有很大的優(yōu)勢，一定會得到良好的發(fā)展。消費(fèi)級無人機(jī)與專業(yè)級無人機(jī)相比有以下幾種優(yōu)勢：

①機(jī)動靈活、向應(yīng)時間短，因?yàn)橄M(fèi)級無人機(jī)高度集成化，可以快速安裝與拆卸，體積小，便于攜帶，對起飛場地要求很小。②相比于專業(yè)無人機(jī)，消費(fèi)級無人機(jī)價格便宜，作業(yè)成本的也很低。③在空域申請方面，相對于專業(yè)級無人機(jī)，消費(fèi)級無人機(jī)空域易于申請。 ④分辨率高，由于飛行高度低，可獲取1-2厘米分辨率的影像。

3? 基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影獲取實(shí)景三維模型的流程

3.1 基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影獲取實(shí)景三維模型的流程

基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影生成三維模型并實(shí)現(xiàn)可視化主要包括：航飛數(shù)據(jù)采集、像控點(diǎn)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、生成三維模型和模型可視化幾步，具體技術(shù)流程見圖2所示。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)與量測

根據(jù)目標(biāo)區(qū)實(shí)際情況一共選取布設(shè)15了個像控點(diǎn)，其中4個作為控制點(diǎn)，11個作為檢查點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)分布整個測區(qū)，均勻可靠，通過連接千尋定位系統(tǒng)采用GPS-RTK的量測方式進(jìn)行像控點(diǎn)的量測。

3.3 外業(yè)航飛

本次實(shí)驗(yàn)外業(yè)航飛采用大疆精靈4A航攝系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)搭載單鏡頭相機(jī)，所以采取在同一塊區(qū)域，飛五個架次，一個架次獲取垂直影像，四個架次獲取互成45度的傾斜影像。本試驗(yàn)航飛數(shù)據(jù)采集把相對航高設(shè)計(jì)為100m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%，一共拍攝了900張照片，具體操作步驟如下：

①依次打開遙控器、平板電腦和飛行器，進(jìn)入DJI GO 4設(shè)置好相機(jī)參數(shù)、刷新返航點(diǎn)和檢查內(nèi)存卡容量等參數(shù)。②連接飛控軟件，規(guī)劃飛行區(qū)域、設(shè)置影像分辨率、航向重疊度和旁向重疊度。③飛前檢查通過后，一鍵起飛，進(jìn)入作業(yè)模式，注意在平板電腦上時刻關(guān)注飛行器飛行姿態(tài)。 ④完成任務(wù)后，拷取航測數(shù)據(jù)。

3.4 三維模型生產(chǎn)

在航飛結(jié)束后，進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)處理，消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理主要包括建立工程、空中三角測量和三維模型生產(chǎn)幾步。本次數(shù)據(jù)處理采用ContextCapture軟件，該軟件操作簡單，支持低精度POS數(shù)據(jù)。

3.4.1 空中三角測量

ContextCapture首先將傾斜攝影得到影像進(jìn)行連接點(diǎn)自動匹配，對獲取的特征點(diǎn)進(jìn)一步采用多視角匹配技術(shù)自動匹配同名點(diǎn)，然后挑點(diǎn)，構(gòu)建自由網(wǎng)，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)文件，先刺三個點(diǎn)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差可以預(yù)測出其余像控點(diǎn)的位置，刺上所有像控點(diǎn)后進(jìn)行再平差，空三結(jié)果如圖3所示。

3.4.2 三維模型生成

在空三結(jié)果達(dá)滿足精度要求和空三成果模型沒有明顯分層和錯位后，設(shè)置好所需要模型的空間參考系統(tǒng)，進(jìn)行三維模型生產(chǎn)。ContextCapture實(shí)景建模大師是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場景運(yùn)算軟件，通過計(jì)算可以生成密集點(diǎn)云，根據(jù)高密度點(diǎn)云自動生成不規(guī)則三角網(wǎng)，根據(jù)三角網(wǎng)生成白模，對白模賦予紋理，自動生成帶真實(shí)紋理的實(shí)景三維模型，如圖4所示。

3.4.3 模型修復(fù)

從圖4可知試驗(yàn)區(qū)內(nèi)實(shí)景模型效果很好，但是局部區(qū)域有一些噪點(diǎn)和漏洞，將有問題區(qū)域的模型從ContextCapture中導(dǎo)出來導(dǎo)入到Geomagic軟件進(jìn)行了漏洞修復(fù)和噪點(diǎn)刪除。除此之外，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)有一條條河流，針對水面匹配連接點(diǎn)困難，導(dǎo)致水面建模效果不好，本文通過水面約束進(jìn)行了水面建模的修飾，修飾前后如圖5、圖6所示。

3.5 模型幾何精度評定

從模型的平面精度和高程精度這兩個方面進(jìn)行評定模型的幾何精度。具體做法為：首先在Acute3D Viewer中將生成的模型打開，用坐標(biāo)量測工具量測出檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。把做像控時量測的檢核點(diǎn)坐標(biāo)看作真實(shí)值，然后算取兩者的差值并計(jì)算中誤差，來分別驗(yàn)證三維模型的平面和高程精度。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算檢核點(diǎn)的平面和高程中誤差，對獲得地三維模型進(jìn)行幾何精度評定。

3.5.1 平面精度分析

3.5.2 高程精度分析

4? 實(shí)景三維模型可視化

本實(shí)驗(yàn)采用Wish3D Earth數(shù)據(jù)管理平臺，加載實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行編輯、三維量測與空間分析。

4.1 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)管理

打開網(wǎng)頁，登陸自己的賬號即可將處理好的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)上傳到Wish3D Earth數(shù)據(jù)管理平臺，通過打開瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的展示、編輯與管理等功能。

4.1.1 目標(biāo)屬性標(biāo)繪

選擇點(diǎn)按鈕，在場景中點(diǎn)擊一個點(diǎn)，完成點(diǎn)標(biāo)注，打開點(diǎn)標(biāo)注的屬性面板可以添加附屬信息以及調(diào)整位置。建筑屬性辦公樓、體育館和食堂等標(biāo)注如圖7所示。

4.1.2 單體化

對傾斜攝影模型進(jìn)行對象的單獨(dú)選中和查詢，需要進(jìn)行模型單體化操作。點(diǎn)擊“單體化”按鈕，點(diǎn)擊創(chuàng)建單體化，在地圖上至少點(diǎn)3個點(diǎn)，雙擊結(jié)束創(chuàng)建一個二維矢量面，同時加載獲得的二維矢量面與三維模型，把二維矢量面貼到實(shí)景三維模型對象表面進(jìn)行模型數(shù)據(jù)渲染，然后對矢量面的顏色和透明度進(jìn)行設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)被選中實(shí)體對象的分離，可以賦予屬性，可以被查詢統(tǒng)計(jì)等，如圖8所示。進(jìn)行房屋單體化的同時，將相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)通過字段錄入，屬性表如表3所示。

4.2 量測與分析

在實(shí)景三維模型上可進(jìn)行量測與分析，點(diǎn)擊工具箱按鈕，打開工具面板，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)查詢，距離查詢，面積查詢，如圖9、圖10、圖11所示。通過工具箱，日照分析工具，選擇日期選擇播放按鈕即可查看一天的日照情況，如圖12所示。

5? 結(jié)束語

本文通過消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取小范圍實(shí)景三維模型，對三維模型進(jìn)行了水面修復(fù)和噪點(diǎn)刪除，根據(jù)實(shí)例總結(jié)了基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影生產(chǎn)三維模型的流程，驗(yàn)證了基于消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影測量生成的三維模型的幾何精度，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維模型入庫、分析、標(biāo)注屬性和在線瀏覽功能，在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬劍華，王朝，劉善偉，等.消費(fèi)級無人機(jī)的大比例尺測圖能力分析[J].測繪通報(bào)，2018（6）：104-108.

[2]孔振，劉召芹，高云軍，等.消費(fèi)級無人機(jī)在大比例尺測圖中應(yīng)用與精度評價[J].測繪工程，2016，25（12）：55-60.

[3]徐志豪.消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影三維建模可行性研究[J].北京測繪，2018，32（8）：897-904.

[4]張純斌，楊盛天，趙長森，等.小型消費(fèi)級無人機(jī)地形數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證[J].遙感學(xué)報(bào)，2018，22（1）：185-195.

[5]孫亮，夏永華.基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖的可行性研究[J].價值工程，2017（8）：209-212.

[6]魏祖帥.傾斜攝影空中三角測量若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 河南理工大學(xué)，2015.

[7]劉波.基于Mobile SDK的無人機(jī)自主飛行控制技術(shù)研究[D].西安石油大學(xué)，2017.

[8]田超.基于無人機(jī)的低空數(shù)碼航攝系統(tǒng)集成研究[D].長安大學(xué)，2014.

[9]王志豪，劉萍.無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗(yàn)分析[J].測繪通報(bào)，2011（7）：18-20.

[10]李德仁，李明.無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2014.

[11]F.Remondino， L.Barazzetti， F.Nex. UAV photogrammetry for mapping and 3D modeling[J]. Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2011（22）：1-7.