單鏡頭無人機的實景三維建模研究

雷英棟，沈旭東，吳湘蓮

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314051）

1 背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市管理的信息化程度越來越高，構(gòu)建數(shù)字三維城市，已經(jīng)成為城市管理中的重要手段，城市三維模型的構(gòu)建，對于城市的建設(shè)與規(guī)劃，管理和應(yīng)急響應(yīng)處置等，都發(fā)揮著重要作用。

傳統(tǒng)的地形測繪，是按照一定比例尺，逐點完成地形特征點數(shù)據(jù)采集，設(shè)備多、重量大、成本較高、工作強度也大、效率低、精度更是難以保證。伴隨著近幾年來無人機技術(shù)長足的發(fā)展，以及無人機傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，裝載多鏡頭傳感器進(jìn)行傾斜攝影，利用軟件快速生成三維模型，變得更加高效和低成本。越來越多的從業(yè)者充分利用無人機傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模。

主流的方案是使用工業(yè)級無人機搭載傾斜攝影五鏡頭相機構(gòu)建城市實景三維模型，雖然提高了作業(yè)效率，但是價格就會相當(dāng)昂貴，并且笨重的多鏡頭相機，對無人機的工作穩(wěn)定性和續(xù)航能力提出了更高的要求，所以運用無人機多鏡頭進(jìn)行傾斜攝影測量，成本和技術(shù)門檻還是很高的。

隨著消費級無人機的快速發(fā)展，消費級無人機，如大疆，具有相對較低的價格，并且容易上手操作，申請空域也較為方便等優(yōu)勢，逐漸成為尋常百姓獲取影像資料的平臺。利用單鏡頭無人機獲取航拍影像，在相對較小的城市實景三維建模項目中優(yōu)勢明顯。

另外，計算機不斷提高的硬件性能，計算機視覺技術(shù)和運算能力的不斷進(jìn)步，已經(jīng)可以實現(xiàn)超多影像資料進(jìn)行快速密集匹配的功能。此外，隨著ContextCapture,Pix4D，PhotoScan等三維重構(gòu)軟件的不斷發(fā)展進(jìn)步，己經(jīng)可以利用消費級的單鏡頭無人機，甚至是手機采集的影像，進(jìn)行自動化構(gòu)建三維模型。這為單鏡頭無人機實現(xiàn)實景三維建模提供了后期處理的軟件支撐。

本文主要研究基于大疆御2Pro無人機，應(yīng)用地面站軟件為Altizure進(jìn)行航線規(guī)劃、照片采集，利用ContextCapture軟件，完成后期空三運算和三維模型構(gòu)建。

2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

■2.1 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量是一種對物體進(jìn)行從多個方向觀測的航空攝影技術(shù)，從不同的方位去采集物體的側(cè)面和頂面紋理，采集清晰度高、精度高、范圍大的被測區(qū)域圖像信息，后期利用先進(jìn)的定位、融合、三維建模技術(shù)重建實景三維模型，以此表達(dá)出被測區(qū)域物體的幾何屬性，保證達(dá)到測繪級精度。該技術(shù)在20世紀(jì)90年代開始在國外發(fā)展，而我國開始于2010年的4月份。

通過消費級單鏡頭無人機傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建實景三維建模，在理論上可以實現(xiàn)，這降低了傾斜攝影測量技術(shù)的經(jīng)濟成本和技術(shù)門檻，在小范圍內(nèi)實現(xiàn)實景三維模型的快速構(gòu)建提供新的思路，具有一定的應(yīng)用價值。

■2.2 基本思路

本項目基于無人機傾斜攝影技術(shù)，嘗試使用單鏡頭無人機作為信息采集平臺，采集實驗區(qū)的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行城市實景三維模型構(gòu)建，實驗以某一區(qū)域為例，構(gòu)建其實景三維模型，驗證單鏡頭無人機是否可以用于城市實景三維模型的構(gòu)建。通過地面站軟件操縱無人機按照地面站軟件設(shè)計航線飛行，獲取傾斜多視角影像；圖像預(yù)處理后導(dǎo)入三維建模軟件，由軟件進(jìn)行空中三角運算，完成三維建模，得到粗模。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 單鏡頭無人機實景三維建模技術(shù)路線

3 單鏡頭無人機實景三維建模

■3.1 單鏡頭無人機的選型

本文選用大疆的御2Pro無人機進(jìn)行圖像信息采集，該無人機機身為折疊結(jié)構(gòu)，便于攜帶，續(xù)航時間官方標(biāo)注為31分鐘，結(jié)合大疆的飛控系統(tǒng)，飛行異常穩(wěn)定、靈活，相比工業(yè)無人機價格合理。該無人機搭載1英寸CMOS單鏡頭相機，2000萬有效像素的，具備了獲取影像信息的條件。

此外，御2Pro搭載了GPS+GLONASS的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，圖像可以記錄POS數(shù)據(jù)，完全達(dá)到了高精度定位的要求。在安全性上，御2Pro無人機配備了全向感知系統(tǒng)（前后下雙目視覺系統(tǒng)，左右單目視覺系統(tǒng)，上下紅外傳感器），上下前后左右都有可感知障礙物距離的能力，可以有效保障無人機飛行安全。

■3.2 地面站軟件選擇

目前，國內(nèi)外常用的無人機航線規(guī)劃控制軟件有：Litchi Vue, Altizure，DJI GS Pro, Rocky Capture等。

本項目采用的是Altizure，該軟件是集航線規(guī)劃、照片采集和三維瀏覽為一體的移動端平臺，可以用于控制 DJI （大疆創(chuàng)新）各系列無人機，幫助快速規(guī)劃航線，拍攝正射和傾斜照片。

圖2 Altizure軟件航線規(guī)劃界面

■3.3 無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

實景三維建模要想獲得高清晰，高質(zhì)量的傾斜攝影圖像信息，一般來說對于同一個特征點和地表物品，需要有三張以上小于15°角的不同角度的圖片覆蓋，覆蓋度越大、重疊度越高，后期處理就能得到精細(xì)程度越高，質(zhì)量越好的實景三維模型，但會導(dǎo)致計算機的負(fù)荷加大，計算時間越長。所以考慮到效率和模型質(zhì)量的平衡，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H的環(huán)境情況，對無人機測繪路徑進(jìn)行規(guī)劃，針對被測對象確定飛行高度，速度，影像采集密度，航向重疊度，旁向重疊度等。

（1）設(shè)置航高

針對不同的實景三維建模任務(wù)，飛行的高度也略有不同，主要是結(jié)合模型的用途和所要達(dá)到的分辨率，在依據(jù)航高的計算公式來以此確定航拍的高度。一般情況下，進(jìn)行低空測繪，70-80m的航高足以滿足要求。

本次測量實驗區(qū)的區(qū)域面積不大，長度大約90米，寬度大于60米。建筑物高度在15m上下，周邊建筑物高度不超過40m，因此，本次航測將航高設(shè)定為80m。

（2）設(shè)置像片重疊度

圖像的重疊度包含兩項內(nèi)容，分別是航向重疊度和旁向重疊度。根據(jù)航攝中對于圖像信息重疊度的要求，一般情況下要求航向重疊度應(yīng)保持在60-80%，但是不能小于53%;旁向重疊度一般應(yīng)保持在15%-60%，但是不能小于8%，越高越好，后期成圖率就越高。建議采集航向重疊不小于80%，旁向重疊不小于50%的影像。本項目將航向重疊度設(shè)為80%，旁向重疊度設(shè)為70%，保證獲取更多的圖像信息。

（3）設(shè)置航線參數(shù)

航線是根據(jù)測區(qū)的面積來確定的，可以確定飛行航向及航線長度，一般為“之字形”航線，飛行的速度不宜過大，攝影基線長度和航線間隔寬度都可根據(jù)相關(guān)公式計算得出，倘若使用地面站軟件，軟件將自動生成航線并確定航線間隔寬度。

消費級無人機御2Pro作為航攝的飛行平臺，相機的傾角設(shè)為45°，飛行的平均速度設(shè)為3m/s，整個航攝任務(wù)大約需要飛行40分鐘。實驗區(qū)飛行計劃的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 飛行計劃詳細(xì)信息表

■3.4 實景三維建模

對于三維建模系統(tǒng)，目前國內(nèi)外主流的幾種航測實景建模軟件主要包括:ContextCapture，PhotoScan，Pix4D Mapper等。

本文選用的是ContextCapture軟件，實現(xiàn)航測區(qū)域較高精度的還原。ContextCapture是Bentley旗下的一款三維實景建模軟件，使用ContextCapture，用戶可以快速為各種類型的基礎(chǔ)設(shè)施項目生成三維模型。其具體作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 Context Captur軟件建模流程

本次共采集圖片116幅，導(dǎo)入軟件后，經(jīng)過空三運算后，使用多視影像密集匹配技術(shù)生成密集點云，如圖4所示。地面物體越復(fù)雜，建筑物越密集，點的密集程度越高。

圖4 多視影像密集匹配

軟件經(jīng)過空三運算和影像密集匹配的結(jié)果，構(gòu)成了三角TIN，再構(gòu)成白模，軟件自動將得到的紋理效果，映射到白模上，最終形成了實景三維模型數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 試驗區(qū)域?qū)嵕叭S模型

4 結(jié)語

本文從單鏡頭無人機的選擇，到比較不同的地面站工具，對單鏡頭無人機的實景三維建模進(jìn)行了探索，實現(xiàn)了對某一區(qū)域的三維建模。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，并且大幅度的提高了作業(yè)生產(chǎn)效率，在精度要求不是非常高的實景建模項目中具有較好的實際應(yīng)用效果。經(jīng)驗證，單鏡頭無人機實景三維建模，能適用于校園規(guī)劃、城市建設(shè)等，同時在自然災(zāi)害監(jiān)測、文物保護等領(lǐng)域也有一定的實際意義。但是本文操作實踐過程中也存在不足，文中并沒有進(jìn)行像控點布設(shè)，這在一定程度上影響了建模精度；另外，輸出的模型沒有經(jīng)過修復(fù)，存在模型的邊緣細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠準(zhǔn)確，個別地物紋理缺失，建模地形與實際地形不一致等問題，這需要在今后的作業(yè)中不斷完善改進(jìn)。