單鏡頭傾斜攝影技術(shù)低成本三維建模

段宗恩，張海生

(貴州省第一測繪院，貴州 貴陽 550004)

1 引 言

實景三維模型是城市空間信息的重要表達方式，對城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、應急響應有重要作用。傳統(tǒng)三維城市建模工作的速度、效率及時效性難以滿足三維城市的應用[1]。

相對于傳統(tǒng)實景三維建模，利用無人機搭載光學鏡頭進行傾斜攝影快速生成三維模型的作業(yè)方法更高效，成本更低。傾斜攝影三維建模已經(jīng)成為獲取三維模型數(shù)據(jù)的重要手段[2]。目前市場上主流的傾斜攝影方案多以五相機、雙相機方案為主，通常相機模塊價格比較昂貴，多鏡頭相機要求多旋翼無人機具有超高穩(wěn)定性和續(xù)航能力。相比之下，單相機傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項目中更具有優(yōu)勢[3，4]。

實景三維模型成果除了能用于大比例尺成圖以外還能用于 1∶500地籍調(diào)查、不動產(chǎn)登記確權(quán)、地質(zhì)災害分析、公安應急消防、智慧城市、帶狀公路規(guī)劃設(shè)計，城區(qū)改造、文物保護等[5～8]。

2 實驗區(qū)地理概況

試驗區(qū)位于貴州省貴陽市花溪區(qū)，海拔 1 106 m～1 134 m，試驗區(qū)內(nèi)主要為學校等建筑及相間綠化帶，面積約為 1 km2。

3 三維實景建模

3.1 單鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)

單鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)采取“井”字形的航飛作業(yè)辦法，鏡頭朝向一個角度，采取密集航線，“井”字交叉飛行采集數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能快速、有效地獲取地物的影像及紋理特征，借助數(shù)據(jù)處理軟件，快速實現(xiàn)三維建模。本次試驗采用某品牌智能航測系統(tǒng)D1000。

系統(tǒng)固定翼無人機重量 1.38 kg，軸距 350 mm，最大上升速度 6 m/s，定位模式最大飛行速度 50 km/h，抗風速 10 m/s，最大航時 30 min。云臺角度控制精度 ±0.02°。系統(tǒng)采用DJI FC6310型號相機，f/2.8-f/11帶自動對焦，焦距 35 mm，2000萬像素。本次航飛航向重疊、旁向重疊80%，飛行高度 110 m，地面分辨率 3 cm。

3.2 無人機管家軟件

無人機管家是一款優(yōu)秀的飛行控制軟件，集中了智能航線、智能飛行、智能檢圖、智能拼圖、智能監(jiān)控、維修保養(yǎng)等多個模塊。從航線規(guī)劃到飛行控制、從圖像預處理到一鍵拼圖，從云端數(shù)據(jù)共享到維修保養(yǎng)，無人機管家軟件為用戶提供一站式航測服務，無人機管家航線規(guī)劃界面如圖1所示。

圖1 無人機管家航線規(guī)劃界面

3.3 技術(shù)路線

單鏡頭多視角傾斜攝影航線不同于一般多鏡頭傾斜攝影，采取“井”字形的航飛作業(yè)，因此對航線設(shè)計提出更高要求。得益于智能航線規(guī)劃軟件，生產(chǎn)作業(yè)中只需對地面分辨率、重疊度、相對行高關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置，即可實現(xiàn)航線規(guī)劃。

多視立體視覺算法密集匹配也是傾斜攝影三維建模中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)基于灰度和特征的匹配方法難以獲取滿足建模需要的同名點，基于多視立體視覺算法(PMVS)和運動結(jié)構(gòu)恢復算法(SFM)自動匹配連接點，可以得到高精度和高密度的點云數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)精細三維建模的關(guān)鍵流程。

單鏡頭多視角傾斜攝影技術(shù)實景建模步驟如圖2所示：

圖2 單鏡頭多視角傾斜攝影技術(shù)實景建模方法流程圖

3.4 三維建模結(jié)果

將原始數(shù)據(jù)導入Smart3D Capture軟件，基于多視立體視覺算法(PMVS)和運動結(jié)構(gòu)恢復算法(SFM)自動匹配連接點。野外像控刺點后，經(jīng)過三角網(wǎng)構(gòu)面，紋理映射，模型修補，生成實景三維模型。圖3～圖6為軟件中三維模型截圖。圖6模型細節(jié)完整，未見扭曲拉花粘連情況，建筑外墻面平整，外墻樓名清晰。

圖3 白膜

圖4 三角網(wǎng)

圖5 三維模型

圖6 模型細節(jié)

三維建模技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)、城市應急管理、地形測量、不動產(chǎn)測繪項目中有廣泛的應用。傾斜攝影三維建模最終成果是高精度、可測量的，可裸眼實現(xiàn)地形測量。三維模型多視角測量在不動產(chǎn)測量中比傳統(tǒng)攝影測量更為高效，直接量測建筑外圍墻壁，省去傳統(tǒng)屋檐改正步驟，提高作業(yè)效率。

4 精度檢驗

針對模型成果精度檢驗，選取6個分布均勻的檢查點，野外實地坐標與模型坐標對照如表1所示：

檢查點精度對比表 表1

檢驗結(jié)果各地物特征點△X最大值 0.09 m，△Y最大值 0.09 m，△H最大值 0.08 m。滿足大比例尺測圖實際需求。在不動產(chǎn)測繪項目中，模型精度可以滿足作業(yè)生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

西南云貴山區(qū)，地形起伏大，植被覆蓋率高，增加了航空攝影測量工作難度。與傳統(tǒng)五鏡頭或兩鏡頭傾斜攝影相比，單相機傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項目中更具有優(yōu)勢。本文以實際試驗數(shù)據(jù)表明單相機傾斜攝影方案確實可行，在小范圍、低成本、工期短、精度要求高的實景建模項目中具有較好的實際應用效果。