不同航線規(guī)劃的無人機影像三維建模質量分析

王云川，段平，李佳，姚永祥，成李博

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，昆明 650500；3.云南省地理空間信息工程技術研究中心，昆明 650500)

0 引言

利用無人機進行傾斜攝影測量是近年來測繪領域發(fā)展起來的一項高新技術[1-5]。傾斜攝影測量不同于傳統(tǒng)攝影測量只從一個垂直鏡頭獲取影像，而是從垂直、前、后、左、右5個不同的角度同時獲取目標的影像。

目前，利用無人機傾斜攝影測量技術進行三維模型重建已在多個領域廣泛應用[6-8]。胡應龍等[9]利用多旋翼無人機和三軸云臺相機采集多視角影像，并重建古村落三維實景。孫保燕等[10]將航攝影像建模技術與地面激光掃面技術相結合，構建古建筑物的三維模型。方留楊等[11-12]則將無人機傾斜攝影技術用于地質災害的研究與檢測。Li等[13]采用一種環(huán)拍輔助技術優(yōu)化三維模型，解決三維模型細節(jié)丟失問題。此外，于丙辰等[14]還將無人機遙感應用于大型文物保護方面的數(shù)字化研究。然而，針對航線規(guī)劃對其三維模型精度的研究卻較少。另一方面，隨著城市建設的火熱進行，圓形建筑物、塔式建筑物以及長條狀建筑物等多種不規(guī)則建筑物開始進入我們的生活，不規(guī)則的形狀也給智慧城市三維建模的建立帶來了困難。長條狀建筑物因分布區(qū)域較長、遮擋較多和相互平行的特點，導致三維建模仍存在一些困難：①采集的影像數(shù)據(jù)量大，存在較大數(shù)據(jù)冗余；②建模效率低，模型存在空洞及變形；③紋理信息缺失。無人機的航線規(guī)劃是無人機智能化獲取影像過程中的關鍵一步，航線規(guī)劃的好壞會直接導致三維建模的成功率，因此研究不同航線規(guī)劃對三維建模的精度影響,對無人機三維建模的應用有積極的作用。

本文以云南師范大學一長條狀建筑物為研究區(qū)域，規(guī)劃設計了“垂直航線”“平行航線”的無人機數(shù)據(jù)采集航線方案，在此基礎上構建其三維模型并對其進行評估，最后綜合評價2種不同航線的優(yōu)缺點。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)選取

研究區(qū)域選擇云南師范大學呈貢校區(qū)武之樓，總面積大約為0.02 km2。該區(qū)域地勢平坦，建筑四周植被茂盛，目標建筑物結構規(guī)整，側面呈矩形狀，從頂面看呈長條狀且相互平行，與字母E略像，為典型的長條狀建筑物。拍攝當日風速相對平穩(wěn)，光照條件適宜，有利于無人機影像數(shù)據(jù)的采集，研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域圖

1.2 設備介紹

采用哈瓦MEGA V8 II四軸八旋翼無人機作為飛行平臺，無人機設備及相機鏡頭如圖2所示，主要由飛行平臺、應用模塊和控制系統(tǒng)等構成，搭載哈瓦無人機5鏡頭傾斜攝影模塊，相機具體參數(shù)如表1所示。

圖2 哈瓦無人機及鏡頭

表1 無人機鏡頭參數(shù)

1.3 實驗數(shù)據(jù)獲取

1)像控點施測。為保證成圖精度，使目標在影像上清晰可見、容易判讀，像控點應盡量選擇地勢平坦區(qū)域，避免樹下、房角以及陰影等容易遮擋地區(qū)。實驗提前制作黑白相間的標志作為像控點。像控點的布點采用圍繞建筑物均勻分布的方式，建筑物四周均勻布設16個平高控制點，為了驗證模型精度，選取其中9個平高控制點參與影像坐標校正，另外7個平高控制點作為檢查點驗證模型控制點點位精度。像控點測量采用“GPS載波相位差分(real time kinematic，RTK)”定位方法，選用WGS-84坐標系統(tǒng)。

2)不同航線影像采集。通過在地面站系統(tǒng)上設定航線、航高、航向重疊度和旁向重疊度等參數(shù)。為研究不同航線對三維建模精度的影響，采用2種不同航線分別進行數(shù)據(jù)采集。為保證在相同情況下分析不同航線的三維建模精度，此處設置相同的航線參數(shù)，其中相對航高為76 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為75%，使得所獲影像分辨率都為2 cm。

(1)垂直航線。航線規(guī)劃時，使長航線方向與建筑物的長條狀分布方向相垂直，如圖3所示。

圖3 “垂直航線”規(guī)劃圖

(2)平行航線。航線規(guī)劃時使長航線方向與建筑物的長條狀分布方向相平行，如圖4所示。

圖4 “平行航線”規(guī)劃圖

1.4 數(shù)據(jù)預處理

在進行三維重建之前，首先對所攝照片進行預處理。將每個鏡頭拍攝的原始影像分別放進同一個文件夾內，剔除不合格的照片，然后對所攝影像進行畸變校正，對曝光過度或曝光不足的影像進行一定的勻色及增強處理，最后整理機載定向定位系統(tǒng)(position orientation system，POS)數(shù)據(jù)與控制點數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一二者坐標系至WGS 84 UTM 48N下。

2 實景三維模型構建的關鍵技術

2.1 空中三角測量

空中三角測量是構建實景三維模型中最關鍵的步驟。采用光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量作為平差的基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程。通過各個光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間公共點的光線實現(xiàn)最佳的交會，并使整個區(qū)域最佳地納入到已知的控制點坐標系統(tǒng)中[15]，即首先利用POS數(shù)據(jù)作為外方位元素的近似值，以每個光束作為平差的基本單元，利用控制點按照共線條件方程列出誤差方程，在全區(qū)域內統(tǒng)一進行平差處理，求出每幅影像的外方位元素；再利用外方位元素的新值求解每個點的地面坐標。如此反復運算，直至求解出每幅影像的精確外方位元素和每個點的地面坐標，并生成稀疏點云。

2.2 多視影像密集匹配

通過空中三角測量獲取到影像的精確外方位元素，恢復其空間位置，構成立體像對，利用多視影像密集匹配技術，在多幅影像之間識別同名點，生成地物的稠密點云。

2.3 三維模型構建

根據(jù)稠密點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成研究區(qū)域的網(wǎng)格模型。最后，對三維模型和紋理影像配準，通過攝影測量的計算機視覺原理，建立空間地物點到各影像的投影關系，篩選出效果最優(yōu)的目標影像，將其反投影到模型的三角面上，實現(xiàn)三維模型的紋理貼合[16]。

2.4 實驗結果

實驗流程主要包括空三計算、建立密集點云、生成網(wǎng)格以及貼附紋理等步驟，技術路線如圖5所示，三維模型重建效果如圖6所示。

圖5 Metashape三維建模技術路線

圖6 建筑物三維建模各步驟結果

3 不同航線的三維模型建立及精度評定

為研究2種不同的飛行航線對三維建模質量的影響，通過對比分析2個模型的形狀、紋理以及空洞程度，并通過具體數(shù)值對比2種模型的控制點點位精度，以定性和定量的方式對其三維建模質量進行評價。

3.1 不同航線的三維建模結果

以目標建筑物最終的實景三維模型為研究對象，分別對比分析基于不同航線生成的三維模型在同一部位的細節(jié)表現(xiàn)能力。因該建筑物具有結構規(guī)整、對稱性良好的特性，故在文中僅對建筑物東面和北面進行對比分析，模型對比如圖7、圖8所示。

圖7 不同航線下建筑物東面三維重建結果

圖8 不同航線下建筑物北面三維重建結果

從圖7建筑物東面的對比中可以發(fā)現(xiàn)，2種方法下三維模型均存在一定程度的紋理缺失，存在較大空洞。相同情況下對比2種方法下三維模型的紋理缺失程度，發(fā)現(xiàn)在建筑物左上側屋檐處，基于“平行航線”建立的三維模型的空洞程度小于“垂直航線”的三維模型的空洞程度，而在建筑物右側，“平行航線”的三維模型的空洞略大，“垂直航線”的空洞數(shù)量較多。故綜合而言，在建筑物東面，基于“平行航線”建立的三維模型表現(xiàn)能力略優(yōu)于基于“垂直航線”的三維模型。從圖8建筑物北面的對比中發(fā)現(xiàn)，基于“平行航線”的三維模型質量明顯更好，模型幾何變形小，紋理更加清晰，細節(jié)完整，僅存在小部分缺失現(xiàn)象。反觀基于“垂直航線”的三維模型，在建筑物里面存在3個較大的空洞，模型完整性較差。

分析上述對比結果，發(fā)現(xiàn)在與長航線相對應的方向，三維模型的重建效果較好，原因是無人機在長航線階段連續(xù)曝光攝像，所獲照片連續(xù)且重疊度較高，有利于識別重疊影像之間的同名點以及點云的構建。由于建筑物呈長條狀分布，“平行航線”相比于“垂直航線”能更有效地獲取建筑物的全部信息。因此，面對長條狀分布的建筑物時，采用與長條狀建筑物分布平行的“平行航線”建模方式的模型完整性較好；而基于“垂直航線”建模方式的模型完整性較差。

3.2 點位精度評估

為衡量三維模型控制點的精度，以點位誤差為評估指標，其數(shù)學表達式如式(1)～式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：δx、δy、δz分別表示x、y、z各方向軸上的點位誤差；δm表示整體點位誤差；xrtk、yrtk、zrtk表示RTK實測數(shù)據(jù)；xi、yi、zi表示模型提取數(shù)據(jù)；n表示點的個數(shù)。

在三維模型中選取7個人工控制點，記錄其坐標，以RTK實測值作為坐標真值，求出2組模型對比點的誤差，結果如表2所示。表中，模型1表示“垂直航線”，模型2表示“平行航線”，Δx、Δy、Δz分別表示x、y、z各方向軸上的誤差。

表2 GPS控制點與三維模型提取點的誤差 m

按式(4)計算各軸向中誤差與整體點位誤差，所得結果如表3所示。

表3 3種模型控制點位誤差表 m

通過對比發(fā)現(xiàn)，在x軸和z軸方向，模型1略優(yōu)于模型2，在y軸方向模型2略好于模型1，就整體誤差而言，2種建模方式的整體點位誤差δm都在0.04 m左右，并且模型1和模型2基本接近。因此，對于控制點點位誤差而言，2種建模方式并未對三維模型的精度產(chǎn)生較明顯影響。

綜合建模完整性及控制點點位精度分析，“平行航線”的三維建模方法優(yōu)于“垂直航線”的三維建模方法。

4 結束語

以無人機搭載5鏡頭傾斜相機為數(shù)據(jù)采集設備，以不同的航線分別對長條狀建筑物獲取影像，并重建其三維模型，分析“垂直”“平行”2種不同航線對三維模型的影響。實驗結果表明，面對長條狀分布的建筑物時，在相同情況下，以飛行航線平行于長條狀建筑物分布方向的建模方法更好，而飛行航線垂直于長條狀建筑物分布方向的建模方法較差，具體分析結論如下：①對模型完整性而言，基于“平行航線”的三維建模方式能獲取更多的建筑物側面信息，其空洞數(shù)量較少，基于“垂直航線”的三維模型空洞較多；②從控制點點位精度方面看，“平行”“垂直”2種航線下控制點點位精度基本一致。因此，綜合模型完整性以及控制點點位精度2個方面，面對長條狀建筑物時，宜采用“平行航線”的三維建模方式。