基于無人機(jī)技術(shù)的實(shí)景三維建模

周健

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水741020)

基于無人機(jī)技術(shù)的實(shí)景三維建模實(shí)質(zhì)是利用傾斜攝影技術(shù)來獲取測(cè)區(qū)五個(gè)不同方向的影像(一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜)[1],從五個(gè)方位獲取地面物體的全方位的頂面及側(cè)視的信息,最后利用影像特征提取、影像匹配等攝影測(cè)量技術(shù),生成區(qū)域?qū)嵕叭S模型。本文以甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,利用大疆精靈無人機(jī)獲取校園的航空影像資料,內(nèi)業(yè)使用ContextCapture 軟件建立實(shí)景三維模型。

1 無人機(jī)實(shí)景三維建模的基本流程

1.1 外業(yè)工作

外業(yè)工作主要包括航攝因子確定、航線規(guī)劃、像片控制測(cè)量等。根據(jù)天氣條件、測(cè)區(qū)的地貌地形、測(cè)繪產(chǎn)品成果規(guī)范要求,對(duì)無人機(jī)的飛行模式、相機(jī)曝光度、照片格式、照片比例等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)根據(jù)成圖比例尺要求設(shè)置飛機(jī)飛行航高、航向重疊、旁向重疊度等進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置。最后,為了提高實(shí)景三維模型的精度,要給予測(cè)區(qū)一定約束條件,需在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的外業(yè)像控點(diǎn),根據(jù)測(cè)區(qū)的基本地形地貌選擇飛前控制或飛后控制,飛前控制指的先布設(shè)控制點(diǎn)后航飛,飛后控制指先航飛后布設(shè)控制點(diǎn),控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)取決于測(cè)區(qū)條件和精度要求。其位置要求一般在測(cè)區(qū)四周和中央必須控制點(diǎn),其余點(diǎn)位可大致均勻分布于測(cè)區(qū)其他位置[2]。

本文選取甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為研究區(qū),測(cè)區(qū)平均海拔為1250 米,地形以平地和丘陵地為主,測(cè)區(qū)南北長(zhǎng)約為720 m,東西寬約770 m,測(cè)區(qū)地物主要以房屋和植被為主。

結(jié)合學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備,同時(shí)為了方便后期實(shí)訓(xùn)教學(xué),本次航飛作業(yè)飛行平臺(tái)采用大疆精靈Phantom 4 Pro V2.0 無人機(jī),其中無人機(jī)單鏡頭像素為2000 萬,為了滿足實(shí)景三維建模需要獲取傾斜五個(gè)方位影像的需要,航線規(guī)劃軟件選用UMap無人機(jī)智能規(guī)劃軟件,因測(cè)區(qū)內(nèi)最長(zhǎng)建筑物為圖書館,長(zhǎng)為88m,照片比例為4:3,為避免過多影像分割圖書館,故本次航線選用南北向。同時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)最高建筑物為圖書館(高30m),設(shè)置相機(jī)傾斜角度為45 度,飛機(jī)飛行航高設(shè)為105 米,航向重疊度設(shè)置為80%,旁向重疊度設(shè)置為70%,同時(shí)為了清晰呈現(xiàn)測(cè)區(qū)的邊緣模型,需要設(shè)置測(cè)區(qū)外擴(kuò),根據(jù)航攝因子等參數(shù),航線規(guī)劃范圍外擴(kuò)100 米(見圖1),本次作業(yè)測(cè)區(qū)共拍攝6200 張航空影像。在外業(yè)控制測(cè)量工作上,采用飛前控制的方法,其控制點(diǎn)靶標(biāo)采用劃“L”字型,為了滿足在影像上靶標(biāo)清晰可見,控制點(diǎn)靶標(biāo)選擇在1 米*1 米尺寸的防水布上油性噴涂打印紅色標(biāo)識(shí),具體為80*60cm 長(zhǎng),寬度為15cm 的“L”字形(見圖2),沒有特殊說明,外業(yè)均測(cè)量直角內(nèi)角,測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)12 個(gè)像片控制點(diǎn),6 個(gè)檢查點(diǎn)。全部利用南方銀河RTK 進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量(靜態(tài)擬合方法)。

圖1 航線規(guī)劃軟件

圖2 像控點(diǎn)靶標(biāo)

1.2 內(nèi)業(yè)工作

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理指檢查航拍像片的質(zhì)量[3],包括測(cè)區(qū)內(nèi)是否存在航攝漏洞、重疊度、航線彎曲度、像片旋角等是否符合規(guī)范要求,同時(shí)由于飛行角度原因,導(dǎo)致太陽(yáng)入射角對(duì)于全區(qū)照片的色彩會(huì)存在偏差,需判斷影像是否要進(jìn)行勻光勻色等操作,最后要?jiǎng)h除起飛、降落和向航點(diǎn)飛行等產(chǎn)生的多余影像。

1.2.2 內(nèi)業(yè)實(shí)景三維建模

在數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)束之后,采用在測(cè)繪、建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的ContextCapture 全自動(dòng)三維建模軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模工作,ContextCapture 軟件為Bentley 公司出品,是通過掃描、拍攝等手段獲取現(xiàn)實(shí)模型的應(yīng)用軟件,其生產(chǎn)的模型的真實(shí)體現(xiàn)第五地貌足夠的多細(xì)節(jié),同時(shí),可在建模過程中提供準(zhǔn)確的地理坐標(biāo),可為后期其他應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

ContextCapture 三維建模基本方法為:導(dǎo)入像片- 導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)- 導(dǎo)入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)并刺點(diǎn)- 空中三角測(cè)量- 三維建模-產(chǎn)品生成。其中空中三角測(cè)量為關(guān)鍵步驟,其精度直接決定了后續(xù)三維建模產(chǎn)品的精度,本次作業(yè)要求空三精度報(bào)告中單個(gè)控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度均小于1/2 個(gè)像素。目前多視影像聯(lián)合平差技術(shù)是三維建模關(guān)鍵的技術(shù),實(shí)質(zhì)就是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中基于特征的提取[4],常用的特征算子包括SIFT、MSER、Moravec、Forstner 等。特征提取后進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配,軟件內(nèi)置的高密度匹配技術(shù)會(huì)根據(jù)高精度圖像匹配算法自動(dòng)匹配所有圖像中所有的同名像點(diǎn),從而從圖像中提取更多特征點(diǎn),形成一個(gè)高密度點(diǎn)云,從而更準(zhǔn)確表達(dá)地表地表地物地貌的細(xì)節(jié)。

1.2.3 模型修飾

利用軟件直接生成的三維模型在細(xì)節(jié)上會(huì)稍有瑕疵,例如地物之間相互遮擋、特征不明顯的水域、反光明顯玻璃幕墻均會(huì)產(chǎn)生一定的扭曲變形,某些區(qū)域紋理拉伸模糊、空洞、冗余碎片、標(biāo)牌破損、水面殘缺、漂浮物等現(xiàn)象均可能產(chǎn)生,解決這些問題可利用手機(jī)等地面補(bǔ)拍地物細(xì)節(jié)并與無人機(jī)影像共同參與建模的方式,進(jìn)行紋理的補(bǔ)充,當(dāng)然,也可利用精修軟件進(jìn)行三維模型后期的優(yōu)化和修復(fù)工作。目前,市面上常用修模軟件有武漢天際航的DPModeler 軟件和大勢(shì)智慧的模方軟件。經(jīng)過處理后的校園實(shí)景三維模型和模型細(xì)節(jié)圖分別見圖3 和圖4。

圖3 校園實(shí)景三維模型

圖4 圖書館東門

2 精度評(píng)定

精度是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確度的指標(biāo),本次主要評(píng)定模型的平面精度和高程精度。由于考慮外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也存在一定誤差,所以將外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與在三維模型上量測(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)做對(duì)比,并計(jì)算中誤差,從而判斷中誤差是否合格。外業(yè)上仍然采用南方銀河RTK 進(jìn)行檢查點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量,內(nèi)業(yè)上利用軟件選取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位,選取點(diǎn)位時(shí)要放大到一定倍數(shù),確保點(diǎn)位清晰準(zhǔn)確后,才能量測(cè)其坐標(biāo)和高程信息。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),測(cè)區(qū)內(nèi)共35 個(gè)檢查點(diǎn),高程精度均小 于 0.1m, 高 程 中 誤 差0.064m,平面位置精度均小于0.25m,平面中誤差為0.145m,從而得出結(jié)論,其精度均符合要求。

3 結(jié)論

本文以甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為研究區(qū)域,研究基于無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行校園實(shí)景三維建模的方法,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),四天即可完成測(cè)區(qū)770m*720m 范圍實(shí)景三維模型的制作。而傳統(tǒng)的建模軟件則是在地貌地物平面信息的基礎(chǔ)上建立沒有紋理的三維模型[5],平面信息需已知或?qū)嶋H量測(cè),且模型中的紋理需要大量人工拍照后貼到三維模型上,相同面積需要耗時(shí)15-20 天,因此借助傾斜攝影測(cè)量技術(shù),不僅可以高效率的快速建立測(cè)區(qū)的具有真實(shí)紋理三維模型,同時(shí)實(shí)地驗(yàn)證其精度,使模型具有地理參數(shù)意義,可為學(xué)院規(guī)劃、管網(wǎng)建設(shè)、建筑施工提供準(zhǔn)確可用的測(cè)量數(shù)據(jù),也為后期智慧校園的建立提供了數(shù)據(jù)支持。