基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維建模及數(shù)字化保護(hù)的研究
——以周家大院古建筑群為例

胡 康 何永紅 靳鵬偉 王加進(jìn)

（湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

傳統(tǒng)建筑三維建模常常利用數(shù)字地形圖、高程圖以及建筑紋理貼圖等大量的數(shù)據(jù)，通過人工建模建立建筑物精細(xì)三維模型，但是存在建模時間長、成本高、工作量大等問題?，F(xiàn)如今，隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可通過在低空無人機(jī)平臺上搭載多臺傳感器來獲取地面上不同角度的影像數(shù)據(jù)，利用這些影像數(shù)據(jù)可進(jìn)行DOM 影像的制作、影像分析以及 DLG 數(shù)字線劃圖等傳統(tǒng)的二維測繪作業(yè)，同時還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型的構(gòu)建。構(gòu)建的三維模型，有著人工干預(yù)少、效率高和模型場景逼真度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建筑三維建模的不足，在三維建模方面優(yōu)勢顯著。

1 無人機(jī)傾斜攝影三維建模原理及流程

1.1 無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)基本原理

傾斜攝影測量技術(shù)[1-3]，主要是通過在同一飛行平臺上搭載數(shù)字航攝儀，分別從垂直、傾斜等多個不同角度采集地面影像，并把接收到的數(shù)字影像記錄在磁盤上，通過數(shù)字傾斜攝影測量軟件，最終形成與人眼視覺相吻合的真實(shí)、直觀的影像效果。通常采集的地面影像分為正片和斜片，正片獲取的是一組垂直向下的影像；斜片指的是鏡頭朝向與地面成一定的夾角拍攝，并分別指向不同的方向的一系列影像。相對于垂直影像，在建筑物三維模型構(gòu)建過程中，傾斜影像發(fā)揮著更大的作用，它可以從建筑物的前、后、左、右等多個方向去查看建筑物的側(cè)面，滿足了建筑物表面紋理細(xì)節(jié)生成的需要。同一區(qū)域拍攝的垂直影像可被用來對生成的三維建筑模型進(jìn)行改善。數(shù)據(jù)處理過程主要是將照片導(dǎo)入到Smart 3D 軟中，運(yùn)用計算機(jī)圖形計算，結(jié)合POS信息空三加密處理，生成點(diǎn)云，并構(gòu)成格網(wǎng)，再結(jié)合照片生成有紋理的三維模型。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影建模的具體優(yōu)勢

（1）降低三維建模的成本。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：能有效降低三維建模的成本，更高效地解決航攝影像無法監(jiān)測建筑物立面高度變化的問題。

（2）建筑物基礎(chǔ)信息完整獲取[4-5]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以迅速獲取建筑物的外框數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、房屋屋頂以及高層建筑頂部的矢量數(shù)據(jù)等各類基礎(chǔ)信息，內(nèi)業(yè)處理人員并可以通過建筑物的外框和屋頂坐標(biāo)等信息，構(gòu)筑出更加貼合實(shí)際的實(shí)景三維模型。

（3）快速建立模型庫[6-7]。依據(jù)無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)，提取傾斜原片數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行人機(jī)交互三維建模，輸出能夠較為準(zhǔn)確、精細(xì)地復(fù)原出建模主體的真實(shí)細(xì)節(jié)構(gòu)成的三維網(wǎng)格模型，該模型具有高分辨率、細(xì)節(jié)紋理真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，有效改善傳統(tǒng)人工建模的低精度等特點(diǎn)。

（4）機(jī)動靈活，攜帶方便。無人機(jī)具有機(jī)動性、靈活性以及安全性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，對起降場地的要求不高，拆卸組裝方便，小巧靈活，容易進(jìn)行操作和控制，而且成本較低，適合在建筑物密集的城市地區(qū)和復(fù)雜地形的地區(qū)應(yīng)用，可以克服大飛機(jī)航拍的局限性。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影建模關(guān)鍵技術(shù)

（1）Smart 3D 實(shí)景建模。運(yùn)用Smart 3D，工期短，人工干預(yù)少，建模過程自動化，可以高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為保證數(shù)據(jù)格式的正確和資料完整性，在運(yùn)用Smart 3D 前，先將外業(yè)航測獲取的航攝數(shù)據(jù)以及像控數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式要求進(jìn)行預(yù)處理，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行相應(yīng)的建模處理，Smart3D 最大的一個優(yōu)點(diǎn)是它可以支持沒有POS 數(shù)據(jù)的影像，比如用單反拍的照片也是可以導(dǎo)入進(jìn)去并運(yùn)行的。

（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入，工程構(gòu)建。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，要點(diǎn)擊檢查影像文件，檢查影像文件是否導(dǎo)入完整，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。所需要的影像文件主要包括滿足外業(yè)重疊度要求的多角度影像、POS 數(shù)據(jù)以及像控數(shù)據(jù)。對于傾斜攝影不同視角獲取的影像數(shù)據(jù)，同一個方位相機(jī)得到的像片應(yīng)放在同一個文件夾中，在做數(shù)據(jù)處理時要建立五個文件夾，并且在保存像片的路徑中一般不能用中文，數(shù)據(jù)命名還要有唯一性，否則在接下來的操作中會出現(xiàn)錯誤。

（3）空中三角測量，空三加密?？罩腥菧y量是利用影像匹配確定影像之間的同名像點(diǎn)以及少量圖像控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差，得到圖像加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)和精確的外方位元素。其主要目的是為缺少野外控制點(diǎn)的地區(qū)提供絕對定向的控制點(diǎn)。傾斜攝影能夠多角度獲取影像，自然會有豐富的影像冗余信息，可以利用影像冗余信息修正錯誤的匹配，同時還可以補(bǔ)充拍攝盲區(qū)的地物特征。圖像匹配的可靠性和準(zhǔn)確性將直接影響到空中三角測量的精度。在Smart 3D 軟件中，空三加密為全自動解算過程，空中三角測量處理過程主要包括設(shè)置航帶、內(nèi)定向、連接點(diǎn)匹配、平差等過程。如果空三計算成功的話，就可以進(jìn)入到三維重建，失敗的話則要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重新檢查，查看 POS 數(shù)據(jù)、影像與POS 數(shù)據(jù)是否對應(yīng)，然后再進(jìn)行空三計算?？杖用苁钦麄€建模過程中最重要的一個步驟，他的結(jié)果直接影響了后期工作的成敗。

（4）實(shí)景三維模型優(yōu)化。如果測區(qū)較為復(fù)雜，周圍障礙物、建筑物較多的情況，為了防止數(shù)據(jù)混淆、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況發(fā)生，最好的辦法是多采集一些特征點(diǎn)。觀測條件最好選擇天氣晴朗、云較少的天氣進(jìn)行傾斜攝影，此時，獲取的影像分辨率高、航向和旁向重疊度大且清晰度高，則最終構(gòu)建的三維模型質(zhì)量越高[8]。若生成的傾斜實(shí)景三維模型成果出現(xiàn)水面漏洞、顏色失真、結(jié)構(gòu)丟失以及破損等問題，則可以在Smart 3D、PS、3DMAX 等圖像處理軟件中進(jìn)行再次優(yōu)化處理。優(yōu)化方法主要有：幾何修復(fù)、細(xì)部整飾、紋理修補(bǔ)等，最終得到貼合實(shí)際的實(shí)景三維模型。

2 實(shí)驗(yàn)與分析——以周家大院古建筑群為例

2.1 實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域概況

周家大院，坐落于永州市零陵區(qū)富家橋鎮(zhèn)瀟水支流——賢水河的源頭，始建于清光緒年間占地7800 余平方米，保存至今的古建筑群。研究區(qū)域內(nèi)以田園為主，附有小片山區(qū)丘陵，大多為古建筑，無高層、超高層建筑，為了更好的保護(hù)這一古建筑群，我們采用無人機(jī)傾斜攝影與三維建模的方式，將其原貌進(jìn)行數(shù)字化存儲并加以保護(hù)。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)工作主要包括測區(qū)勘探、設(shè)計航線、像控點(diǎn)布控、設(shè)定航測參數(shù)等流程，航測中需要注意的要點(diǎn)：

（1）在飛行作業(yè)中，將遙控器天線切面面向飛行器以獲得最佳信號。

（2）如果任務(wù)完成前出現(xiàn)電池電量不足，則可手動結(jié)束任務(wù)，更換電池后繼續(xù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本實(shí)驗(yàn)拍攝影像數(shù)量為 7320 張、影像地面分辨率為10cm、航向和旁向重疊度分別為66%、55%?？紤]到影像數(shù)據(jù)量大，處理過程耗時較長，為了防止處理過程中出現(xiàn)錯誤浪費(fèi)時間，降低整建模的效率，根據(jù)周家大院古建筑群的形狀特征、控制點(diǎn)分布，將整個區(qū)域分為6 塊分別處理，最后再將6 塊區(qū)域模型拼接，輸出整個測區(qū)的正射影像圖。整個周家大院測區(qū)的正射影像圖如圖1 所示。

圖1 周家大院無人機(jī)傾斜攝影建模正射影像

2.4 空中三角測量

選用Smart 3D 軟件來進(jìn)行空中三角測量?？罩腥菧y量之前要對POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而在后期處理中不會造成影像缺失等問題。本次實(shí)驗(yàn)中空中三角測量是關(guān)鍵性的一步，空中三角測量決定最后周家大院古建筑群三維模型的成果質(zhì)量，是內(nèi)業(yè)處理時最重要的一步。如果空三計算成功，可以進(jìn)入到下一步：三維重建，倘若失敗的話則要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重新檢查，找出問題，然后再進(jìn)行空三計算。

2.5 周家大院古建筑群三維建模

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)中的密集點(diǎn)就是通過多視影像的處理得到模型，有利于后續(xù)影像的生成。獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，先通過濾波處理，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，直到最后得到DSM。若使用無人機(jī)攝影過程中發(fā)生影像數(shù)據(jù)丟失的情況，則會影響后面的三維建模，這時人工編輯人員需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的控制，降低問題發(fā)生的概率。隨后構(gòu)建TIN模型，對生成的“周家大院古建筑群三維模型”進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)影像真實(shí)紋理與整個實(shí)景三維模型的自動關(guān)聯(lián)，并將其通過數(shù)字化存儲進(jìn)行保護(hù)，如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 周家大院無人機(jī)傾斜攝影建模（正向俯視效果）

圖3 周家大院無人機(jī)傾斜攝影建模（背向俯視效果）

圖4 周家大院無人機(jī)傾斜攝影建模（側(cè)后方俯視效果）

結(jié)束語

文章以周家大院為例，探討如何對古建筑群進(jìn)行傾斜攝影三維建模，其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集所用的無人機(jī)基于東、南、西、北以及正視五個視角傳感器，對周家大院測區(qū)拍攝了五組影像圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量加密等操作生成影像點(diǎn)云和三維TIN 模型，實(shí)現(xiàn)影像真實(shí)紋理與整個實(shí)景三維模型的自動關(guān)聯(lián)，并最終達(dá)成將其通過數(shù)字化存儲進(jìn)行保護(hù)的目的。