基于單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影的建筑物三維模型構(gòu)建

曹 爽, 馬 劍, 馬 文

(1.南京信息工程大學(xué) 遙感與測(cè)繪工程學(xué)院,南京 210044;2.廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司北方總部銀川分部生產(chǎn)實(shí)施部,銀川 750002)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn),帶動(dòng)了三維建模技術(shù)及其應(yīng)用的快速發(fā)展。傾斜攝影相機(jī)是多個(gè)攝影鏡頭的組合體,鏡頭間的角度、距離必須經(jīng)過嚴(yán)格的控制,因而制作成本較高,又因其大多都安裝在大型無人機(jī)上,而大型無人機(jī)飛行有諸多限制,對(duì)于小區(qū)域的影像數(shù)據(jù)獲取并不適用。為滿足數(shù)字城市快速發(fā)展所需的高效、精確的建筑物三維地理信息需求,利用單鏡頭無人機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行多角度拍攝,快速建立建筑物三維實(shí)景模型已成為解決這一問題的重要途徑之一[1]。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展, 其應(yīng)用價(jià)值也在各行各業(yè)中有所體現(xiàn)[2]。 許多學(xué)者從多個(gè)角度進(jìn)行了研究與探討：曲林等[3]比較多種傾斜攝影方案, 利用無人機(jī)自制鏡頭獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)建立三維模型, 得到了良好的視覺效果; 李翔等[4]通過對(duì)獲取傾斜攝影數(shù)據(jù)的幾種方法比較, 提出一種采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)進(jìn)行航空傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方法, 并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性; 曹琳[5]也利用多旋翼單鏡頭無人機(jī)進(jìn)行了傾斜攝影測(cè)量研究, 并總結(jié)了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取傾斜影像的特點(diǎn)及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù); Bertram等[6]從建筑物3D建模的角度分析了無人機(jī)航攝相較于有人機(jī)的成本、 效率優(yōu)勢(shì);陳大凱等[7]嘗試將常規(guī)的多旋翼單鏡頭無人機(jī)應(yīng)用于傾斜攝影, 提出了一種采用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)進(jìn)行航空傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的方法。

本文基于消費(fèi)級(jí)的大疆單鏡頭無人機(jī),采用折線型航線影像采集方法和環(huán)繞型航線影像采集方法進(jìn)行建筑物三維模型構(gòu)建,利用Context Capture 三維建模軟件建立建筑物三維實(shí)景模型，最后從平面精度、高度精度及線段長(zhǎng)度精度三方面對(duì)模型進(jìn)行分析比較,得出不同航攝方案所構(gòu)建的模型的優(yōu)越性。

1 單鏡頭無人機(jī)傾斜影像獲取方法

傳統(tǒng)的傾斜攝影測(cè)量都是基于多鏡頭傾斜相機(jī)獲取影像,但是隨著新的飛行平臺(tái)、高畫質(zhì)相機(jī)、飛控App以及街景工廠、Context Capture等內(nèi)業(yè)處理軟件的出現(xiàn),傾斜影像的采集方式不再單一。單鏡頭相機(jī)和云臺(tái)三軸配合,視角靈活,能夠?qū)崿F(xiàn)無死角拍攝,而多鏡頭相機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定,航拍時(shí)無法調(diào)整傾斜相機(jī)的傾斜角度;在航線規(guī)劃方面,單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影仍然沿用傳統(tǒng)傾斜攝影的平行直線航線,但是根據(jù)不同的地物,不同的航攝要求,所采用的航線方案也不同，并且單鏡頭無人機(jī)還具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。本文利用單鏡頭無人機(jī)采用折線型航線影像采集方法和環(huán)繞型航線影像采集方法對(duì)某高校圖書館進(jìn)行傾斜攝影,獲取其傾斜影像數(shù)據(jù)。

1.1 折線型航線影像采集方法

折線型航線影像采集方法是指無人機(jī)在航拍過程中的飛行軌跡是折線型的,即無人機(jī)在飛行過程中相機(jī)拍攝時(shí)的瞬時(shí)位置連接而成的直線航行軌跡,因而折線型航線又稱作路徑點(diǎn)任務(wù)航線,它可以被看作是一系列路徑點(diǎn)依次連接而成,無人機(jī)在所有路徑點(diǎn)處短時(shí)間懸停進(jìn)行拍攝或者邊飛邊拍攝,如圖1所示。折線型航線是一種常用的飛行方案,適用于豎直和傾斜攝影。

圖1 折線型航線示意圖Fig.1 Schematic diagram of folded lines

傳統(tǒng)的傾斜影像獲取方法由于在飛行平臺(tái)上攜帶了專業(yè)的多向傾斜攝影鏡頭,針對(duì)大范圍區(qū)域傾斜攝影測(cè)量,該方法是最適用的,不僅能同時(shí)獲得豎直方向和傾斜方向的影像,而且很大程度地縮短了工期,為后期數(shù)據(jù)處理提供時(shí)間保障。由于本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域較小,采用單鏡頭多旋翼無人機(jī)進(jìn)行影像采集,無法同時(shí)獲得豎直和傾斜方向的影像,所以需從不同方向敷設(shè)折線型航線并多架次采集。如圖2所示,本次折線型航線共5條,其中航線1為垂直攝影航線；航線2為自西向東傾斜攝影航線；航線3為自南向北傾斜攝影航線；航線4為自東向西傾斜攝影航線；航線5為自北向南傾斜攝影航線。

1.2 環(huán)繞型航線影像采集方法

環(huán)繞型航線影像采集方法是無人機(jī)在航拍過程中的飛行軌跡是環(huán)形的,即通過遙控器控制無人機(jī)尋找被攝地物上空一點(diǎn)(俯視圖正中心)作為興趣點(diǎn),以地物垂直中軸線為環(huán)繞軸,設(shè)置飛行高度和環(huán)繞半徑,調(diào)整相機(jī)傾斜角度,自動(dòng)控制無人機(jī)繞地物環(huán)形飛行,手動(dòng)控制以相同時(shí)間間隔拍攝,以保證相鄰航片的重疊度，如圖3所示。

圖2 圖書館折線型航線示意圖Fig.2 Schematic diagram of library curve lines

圖3 環(huán)繞型航線示意圖Fig.3 Schematic diagram of circular route

環(huán)繞型航線影像采集方法常用于傾斜攝影影像數(shù)據(jù)獲取中。對(duì)于獨(dú)立地物,如獨(dú)棟建筑、大型雕像、高塔、山頂?shù)?用環(huán)繞型航線影像采集方法可有效獲取其全方位的側(cè)面信息以及部分地面信息，但是對(duì)于大面積建筑群,這種環(huán)繞攝影的方法并不適用。由于建筑物的高度不一致,導(dǎo)致影像上的地面采樣間隔(GSD)波動(dòng)較大,并且相鄰建筑物之間存在遮擋問題,航拍過程中可能會(huì)出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象,從而導(dǎo)致側(cè)面信息缺失。如果對(duì)每個(gè)建筑物進(jìn)行環(huán)繞拍攝,雖然能夠獲得較為詳細(xì)的側(cè)面信息,但是大大增加了工作周期,而且由于建筑物的遮擋,無法保證無人機(jī)的安全。因此,對(duì)于大面積建筑群,采用折線型航線方案較為合適。

1.3 影像采集

實(shí)驗(yàn)所需航攝影像采用大疆Phantom 4 Pro消費(fèi)型多旋翼無人機(jī)，依據(jù)不同航線方案進(jìn)行影像采集。所拍攝圖書館建筑物周圍道路密集,樹木較多,人流量大,考慮到無人機(jī)安全問題,選擇距圖書館一定距離的操場(chǎng)作為無人機(jī)的起降點(diǎn),并在晴天光線良好的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。基于DJI GO4飛控軟件控制無人機(jī),相對(duì)航高為100 m,航向重疊度為70%,旁向重疊度為60%。

折線型航線拍攝時(shí)相機(jī)傾斜角度設(shè)為45°,共5條航線,首先執(zhí)行垂直攝影航線,再依次執(zhí)行傾斜攝影航線。根據(jù)建筑物三維建模對(duì)其影像的要求,將獲取的影像進(jìn)行篩選,去除無關(guān)影像后剩余101張,以減少后期空三處理時(shí)間,部分影像如圖4所示。

對(duì)于單獨(dú)的建筑物來說,采用環(huán)繞型航線飛行方案遙控?zé)o人機(jī)到圖書館上空,選擇興趣點(diǎn)環(huán)繞飛行模式。以圖書館垂直中軸線為環(huán)繞軸,讓無人機(jī)到達(dá)指定航高(100 m)位置， 再以無人機(jī)所在位置為水平面,控制無人機(jī)向圖書館西側(cè)飛行到達(dá)指定半徑位置(110 m),調(diào)整相機(jī)傾斜角度為45°,以2 s為拍攝間隔,手動(dòng)操作連續(xù)拍攝,環(huán)繞型航線影像采集共計(jì)82張影像。部分影像(相鄰4張航片)如圖5所示。

2 基于單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影的建筑物三維模型構(gòu)建

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

外業(yè)實(shí)測(cè)過程中控制點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量對(duì)內(nèi)業(yè)最終成果的精度有很大的影響。 因此, 在選擇控制點(diǎn)位置時(shí), 應(yīng)遵從控制點(diǎn)布設(shè)原則并選擇合適的布設(shè)方案。 運(yùn)用GPS RTK測(cè)量方法+CORS系統(tǒng)測(cè)量像控點(diǎn)的大地坐標(biāo), 外業(yè)像控點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量共計(jì)26個(gè)點(diǎn), 點(diǎn)位分布如圖6所示, 因圖書館東部樹木較多, 坐標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量不高, 僅保留1個(gè)點(diǎn), 經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理之后個(gè)別像控點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

2.2 建筑物三維模型構(gòu)建

2.2.1 數(shù)據(jù)處理 以實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)作為模型構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括原始影像和外業(yè)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)坐標(biāo),通過Context Capture 軟件建立圖書館三維實(shí)景模型。處理流程如圖7所示。

2.2.2 成果生成 經(jīng)過空三運(yùn)算之后, 符合精度要求的像控點(diǎn)共計(jì)20個(gè), 包括16個(gè)檢查點(diǎn)和4個(gè)控制點(diǎn)。 Context Capture軟件的產(chǎn)品輸出格式有3MX、 OSGB、 OJB、 S3C等。 本文主要輸出3MX格式下的圖書館灰度模型、 TIN模型、 TIN+灰度模型以及三維實(shí)景模型。 折線型及環(huán)繞型獲取的影像, 通過內(nèi)業(yè)處理后得到的成果如圖8及圖9所示。

圖4 折線型航線航攝部分影像Fig.4 Aerial photography of a part of the images

圖5 環(huán)繞型航線航攝部分影像Fig.5 Partial circular aerial photography

圖6 點(diǎn)位分布示意圖Fig.6 Diagram of point location distribution

3 精度分析及比較

三維模型的實(shí)際精度評(píng)定可從模型的平面精度、高度精度、地形精度、DOM精度、模型精細(xì)度以及紋理精細(xì)度等六方面來評(píng)定[8-9]。本文主要從模型的平面精度、高度精度以及代表性線段長(zhǎng)度精度方面對(duì)圖書館三維模型進(jìn)行精度評(píng)定。

圖7 內(nèi)業(yè)處理流程Fig.7 Internal industry processing flow

3.1 平面精度

空三解算后,16個(gè)檢查點(diǎn)的平面誤差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

圖書館三維模型的平面精度分析結(jié)果:環(huán)繞型航線模型的平面誤差最大為0.104 m,最小為0.019 m, 平面RMS為0.065 m; 折線型航線模型的平面誤差最大為0.126 m,最小為0.009 m,平面RMS為0.049 m。由圖10平面誤差分布圖可知,環(huán)繞型航線模型的平面誤差主要分布在0.020～0.080 m,折線航線模型的平面誤差主要分布在0～0.060 m。按照三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[10]中7.3節(jié)平面精度的規(guī)范要求,成圖比例尺1∶500時(shí),三維模型的平面精度為0.3 m,本文中的兩種模型平面精度均高于規(guī)范要求。

表1 個(gè)別像控點(diǎn)坐標(biāo)

圖8 折線型航線圖書館三維模型成果Fig.8 3D model results of the library after the curve line shooting

圖9 環(huán)繞型航線圖書館三維模型成果Fig.9 3D model results of the library after the airstrip shooting

表2 兩種模型的點(diǎn)位平面誤差統(tǒng)計(jì)

Table 2 Point plan eerror statistics of two models m

點(diǎn)名(實(shí)測(cè))點(diǎn)名(整理)平面誤差環(huán)繞型折線型D1jc10.0360.039D2jc20.0380.126D4jc30.0670.109N1jc40.0410.009N2jc50.0690.040N3jc60.0260.029N4jc70.0640.018N7jc80.0200.053N8jc90.0820.017N9jc100.0580.037N10jc110.0430.048S4jc130.1020.021S7jc140.0190.017S9jc150.0380.011S10jc160.1040.089

3.2 高度精度

空三解算后,16個(gè)檢查點(diǎn)的高度誤差統(tǒng)計(jì)如圖11所示。圖書館三維模型的高度精度分析結(jié)果:環(huán)繞型航線模型的高度均方差RMS為±0.080 m;折線航線模型的高度均方差RMS為±0.041 m。按照三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[10]中7.4節(jié)高度精度的規(guī)范要求,成圖比例尺1∶500時(shí),三維模型的高度精度為0.5 m,本文中的兩種模型的高度精度均高于規(guī)范要求。

圖10 建筑物模型檢查點(diǎn)平面誤差分布圖Fig.10 Plane error distribution of checkpoint in construction model

圖11 建筑物模型檢查點(diǎn)高度誤差分布圖Fig.11 Height error distribution of checkpoint in construction model

3.3 長(zhǎng)度精度

根據(jù)數(shù)字城市建設(shè)對(duì)三維數(shù)據(jù)的精密要求,不僅需要建筑物的實(shí)景化視覺效果,而且對(duì)建筑物的面積、 角度、 長(zhǎng)度等屬性也需要很高的要求。 因此, 本文在模型構(gòu)建完成后, 又通過外業(yè)丈量測(cè)得12條線段長(zhǎng)度, 與模型上相對(duì)應(yīng)的線段長(zhǎng)度進(jìn)行長(zhǎng)度精度分析,如圖12所示, 并根據(jù)中誤差計(jì)算公式計(jì)算線段長(zhǎng)度的中誤差。 圖書館模型的長(zhǎng)度精度分析結(jié)果: 環(huán)繞型航線模型的長(zhǎng)度誤差最大值為0.2 m, 中誤差為0.072 m; 折線航線模型的長(zhǎng)度誤差最大值為0.13 m, 中誤差為0.048 m。

圖12 模型線段長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)長(zhǎng)度差值分布圖Fig.12 Line length difference between simulated and measured value

綜合對(duì)兩種模型的平面精度、高度精度和長(zhǎng)度精度的分析可知,本次圖書館模型構(gòu)建平面精度與高度精度完全滿足規(guī)范的規(guī)定,且折線型航線模型較環(huán)繞型航線模型精度高、效果更好。

4 結(jié) 論

本文以單獨(dú)建筑物為研究對(duì)象, 利用多旋翼單鏡頭無人機(jī)， 分別采用折線型和環(huán)繞型航線的影像采集方法獲取建筑物的影像數(shù)據(jù), 結(jié)合外業(yè)測(cè)量的像控點(diǎn)坐標(biāo), 通過Context Capture 軟件建立建筑物的三維景觀模型， 并從模型的平面精度、 高度精度以及線段長(zhǎng)度精度三方面對(duì)不同航攝方案所構(gòu)建的模型進(jìn)行分析與比較可知: 基于單鏡頭無人機(jī)在不同航攝方案下建立的三維景觀模型滿足三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品的規(guī)范; 在本次研究中, 折線型航線方案所構(gòu)建的模型較為精確。 相較于傾斜攝影機(jī)單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影成本較低、 空域限制小、 像片分辨率高、 顏色真實(shí), 更有利于傾斜攝影技術(shù)的推廣, 滿足數(shù)字城市快速發(fā)展所需的高效、 精確的建筑物三維地理信息的需求。

本文的不足之處是未對(duì)兩種模型的面積、地形精度、DOM精度、模型精細(xì)度以及紋理精細(xì)度等方面進(jìn)行評(píng)定,在后續(xù)的研究將深入分析上述建模精度。另外,對(duì)于數(shù)據(jù)采集方案中,采集過程導(dǎo)致誤差的原因分析將是后續(xù)工作的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。