基于無人機傾斜攝影技術的三維塔式建模研究

張桂彬 田慶操 崔迎澳 馬紅楷 程照陽

摘? 要：以鄭州師范學院圖書館為研究對象，采用小型多旋翼無人機搭載單相機，以環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式兩種途徑獲取圖像數(shù)據(jù)，利用Agisoft PhotoScan對兩種航拍方式獲取的數(shù)據(jù)建立模型，通過對比，發(fā)現(xiàn)環(huán)繞式航拍方式用時較短，獲取的有效點云數(shù)據(jù)較多，基于此方式建立的三維模型紋理更加清晰，但這種方式的使用受目標建筑周邊環(huán)境的影響。

關鍵詞：塔式建筑;無人機;環(huán)繞式航拍;三維建模

中圖分類號：TP391.41;P231? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0076-05

Research on Three Dimension Tower Modeling Based on

UAV Oblique Photography Technology

ZHANG Guibin，TIAN Qingcao，CUI Yingao，MA Hongkai，CHENG Zhaoyang

（Zhengzhou Normal University，Zhengzhou? 450044，China）

Abstract：Taking the library of Zhengzhou Normal University as the research object，the small multi rotor UAV with a single camera is used to obtain image data in two ways，surround aerial photography and traditional well shape aerial photography. Agisof PhotoScan is used to establish the model of data obtained through the two aerial photography ways. Through contrastive analysis，it is found that the surround aerial photography takes a short time and obtains effective point cloud data is more than that of the other way. The texture of 3D model constructed based on this way is more clearer，however，the usage of this way is affected by the surrounding environment of the target building.

Keywords：tower building;UAV;surround aerial photography;three dimension modeling

0? 引? 言

多年以來的自然環(huán)境變化以及受多方面人為因素的影響，很多歷史建筑遭到了破壞，這對歷史建筑的保護更新工作來說是不可逆的，這讓一些歷史建筑失去很多有價值的信息[1]。為更好地保護這些文化遺產(chǎn)，避免巴黎圣母院的悲劇再次發(fā)生，采用傾斜攝影技術建立古建筑三維模型可為古建筑的研究、修復、重建等工作提供有力支持。

廣義上講，建筑的任意邊長與高的比小于1的建筑都可以稱為“塔”式建筑。相對于傳統(tǒng)建筑，塔式建筑的紋理結(jié)構(gòu)更加復雜，由于傳統(tǒng)的無人機拍照方式拍攝時攝像頭的位置固定，拍攝過程中可能出現(xiàn)觀測盲區(qū)，使得采集的信息不全面，進而影響三維建模。

基于傳統(tǒng)建模方法的AutoCAD建模、3Dmax建模、SkecthUp建模成本較高，無法實現(xiàn)較高程度的自動化，因而難以解決復雜地理場景建模的相關問題。近年來，無人機技術、傾斜攝影測量技術的日益成熟極大地推動了三維建模的發(fā)展[2]。本文將就塔式建筑三維建模問題展開討論，通過對比環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式，探究更適于塔式結(jié)構(gòu)建筑在三維建模過程中采用的航拍方式。

1? 傾斜攝影與三維建模

1.1? 傾斜攝影測量技術

隨著計算機視覺技術和多傳感器集成技術的迅速發(fā)展，傾斜航空攝影測量技術應運而生，它擺脫了傳統(tǒng)豎直航空攝影系統(tǒng)受空間攝影姿態(tài)的束縛，能夠很好地獲取地形、地物的頂部與側(cè)面的紋理信息，影像信息數(shù)據(jù)較大，利用多視角傾斜數(shù)碼相機或單鏡頭旋轉(zhuǎn)相機，在不同角度獲取目標物對應的影像，所拍攝的影像具有豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，可以生成密集三維點云和TIN格網(wǎng)模型，能在實際應用中對實景建模模型快速地進行自動化處理[3]。

傾斜攝影技術突破了傳統(tǒng)的正射影像只能從垂直角度拍攝的限制，操作者可通過搭載了多臺傳感器的飛行平臺，同時從一個垂直、四個傾斜、五個角度采集影像，能更加直觀地觀看真實世界。相較于傳統(tǒng)的正射航拍，傾斜攝影可以多角度采集建筑的紋理細節(jié)，能夠在后期三維建模中更為直觀地展現(xiàn)建筑的特征。

1.2? 路線規(guī)劃

路線規(guī)劃前，應先確定需要拍攝地點的坐標系統(tǒng)和高程基準，記錄無人機傳感器的類型，設置影像的重疊度、影像拍攝間隔以及分辨率，提前布設好像控點[2]。本次實驗分別采用環(huán)繞式多角度航拍和傳統(tǒng)的井字形航拍這兩種方式制定航拍路線。

如圖1所示的環(huán)繞式航拍路線設置前需要先找到一個合適的興趣點中心，其次根據(jù)建筑物的大小確定環(huán)繞半徑，以確保最大限度地實現(xiàn)拍攝目標全面化。如圖2所示的井字形航拍路線的制定需要事先確定無人機拍攝區(qū)域，一般以正方形為主，接下來確定飛機的航拍高度，保證飛機在飛行過程中不會碰撞建筑物。

1.3? 技術原理

環(huán)繞拍攝方式是以某建筑物的中心為原點，讓無人機以一個合適的半徑環(huán)繞路線拍攝，要求航拍照片向上重疊度不小于80%，旁向重疊度不小于50%，整個航拍過程可以通過調(diào)節(jié)手柄變換相機的拍攝角度，拍攝覆蓋范圍僅僅圍繞拍攝對象;傳統(tǒng)的井字形拍攝方式是讓無人機以圖2所示的航線進行拍攝，每個拍攝階段相機鏡頭固定，且不能用手柄控制調(diào)節(jié)相機角度，拍攝覆蓋范圍相對較大。

2? 數(shù)據(jù)來源與處理

為了更好地探究兩種無人機拍攝方式的區(qū)別，本次實驗選擇鄭州師范學院圖書館為研究區(qū)域，圖書館作為鄭州師范學院的標志性建筑，內(nèi)含大量紙質(zhì)書籍和電子書籍，于2008年10月建成，建筑面積達30 000平方米，東西向?qū)挾燃s110米，南北向?qū)挾燃s116米，高度約53米。

2.1? 設備選取

本文選取了大疆御Mavic Pro無人機進行試驗，無人機搭載相機采用的是一顆1 200萬像素的航拍攝像頭，可拍攝JPG和RAW格式照片;云臺可變動范圍為俯仰-90°至+30°;無人機搭配三節(jié)電池，能夠充分保證拍攝過程的續(xù)航，滿足了實驗需要。

Agisoft PhotoScan是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像，可以自動生成高質(zhì)量三維模型的3D掃描軟件，借助多視圖三維重建技術，它可以處理任意種類的照片，小到玩具模型微小照片，大到航拍巨幅照片，操作時只需在軟件中導入具有一定重疊率的數(shù)碼影像，便可生成高質(zhì)量的正射影像及重建的三維模型[4]。

2.2? 數(shù)據(jù)獲取

獲取傾斜數(shù)據(jù)的步驟主要分為測區(qū)踏勘、航線設計和飛行實施3個環(huán)節(jié)。首先需要進行實地考察，獲取測區(qū)的地形;接著按照影像質(zhì)量要求，設置飛行航高、重疊度，最后對整個航攝飛行方向進行航線規(guī)劃[5]。

針對圖書館的建筑特點，通過飛行控制軟件DJIGO 4規(guī)劃環(huán)繞式拍攝路線，環(huán)繞式路線拍攝輸入?yún)?shù)為：拍攝高度100米，以圖書館所在地高度為100米水平面的幾何中心為環(huán)繞原點，環(huán)繞半徑50米，航攝共采集該建筑820張圖像，整個航攝過程環(huán)繞拍攝三圈，用時約15分鐘。

通過傳統(tǒng)的飛行控制軟件Altizure規(guī)劃航拍路線，井字形方式航拍路線輸入?yún)?shù)為：航拍高度100米，航向重疊率85%，旁向重疊率85%，航攝過程共采集1 215張圖像，整個過程用時約40分鐘。

2.3? 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)攝影測量原理，Agisoft PhotoScan可以對拍攝圖像的位置、坐標等信息進行計算，其內(nèi)定向、相對定向以及絕對定向都可以自動完成，不需要人為干涉。利用該軟件對圖像數(shù)據(jù)進行處理的具體步驟為：

2.3.1? 圖像預處理

剛拍攝的影像由于可能會存在漏拍、色差嚴重、云霧遮擋、不合理曝光等不良狀況，需要對其進行預處理，主要包括航拍照片質(zhì)量檢查、圖像曝光度調(diào)整、圖像增強、刪除無法修復的圖像等[5]。

2.3.2? 對齊照片

將預處理的圖像導入并“添加相機”，這里導入拍攝的影像數(shù)據(jù)的順序必須依照航線走向且連續(xù)，中間不能有空洞，如圖3所示。點擊“對齊照片”按鈕，軟件就會根據(jù)航拍圖像的坐標、高程信息以及相似度自動排列圖像，并自動計算出相機和拍攝物體的相對位置，最終形成一些稀疏點云和相機的位置，如圖4所示。

2.3.3? 生成密集點云

密集點云是根據(jù)相機位置和圖片本身生成的點云，這里需要根據(jù)生成的點云的分布位置，調(diào)整工作區(qū)域的范圍大小，確保工作區(qū)域大于物體模型，生成的點云質(zhì)量越高，對設備性能的要求越高，生成點云速度越慢，最后成像的質(zhì)量也會越好。

其中環(huán)繞式航拍方式經(jīng)過自動定向生成質(zhì)量為“中”的點云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

2.3.4? 生成網(wǎng)格

根據(jù)生成的密集點云數(shù)據(jù)，生成多邊形網(wǎng)格模型，根據(jù)需要，生成網(wǎng)格模型的源數(shù)據(jù)既可以是“對齊照片”時生成的稀疏點云，也可以是密集點云。生成網(wǎng)格后可以根據(jù)需要對其進行編輯，環(huán)繞式航拍方式生成的網(wǎng)格如圖6所示。

2.3.5? 生成紋理

根據(jù)添加到軟件的照片信息給拍攝對象貼圖，Texture Type選擇“紋理映射”，源數(shù)據(jù)選擇“Images”，混合模式選擇“馬賽克”，紋理大小為4 096，生成紋理如圖7所示。

3? 對比分析

按照上述數(shù)據(jù)操作流程，分別得出環(huán)繞式航拍路線與傳統(tǒng)的井字形航拍路線的相機對準位置，如圖8和圖9所示，可以看出環(huán)繞式航拍路線的相機角度存在大幅度的重疊，目標建筑周圍點云分布較集中，沒有太多冗余的點云;傳統(tǒng)的井字形航拍路線的相機角度重疊度較低，目標建筑周圍存在大量冗余的點云，點云的多少取決于處理數(shù)據(jù)量的多少，在一些大型工程中，多余的點云將會拖慢計算機處理速度，進而影響工程進度。

接下來對比環(huán)繞式航拍和傳統(tǒng)的井字形航拍所生成的模型細節(jié)，從側(cè)面來看如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)繞式航拍下的圖書館模型墻的棱角清晰，而傳統(tǒng)的井字形航拍下的圖書館模型墻的部分紋理出現(xiàn)扭曲，建模效果略差;將圖書館紅色墻面部分與實際建筑對比可以看出，傳統(tǒng)的井字形航拍模式下的效果相對較好。

從頂部看如圖11所示，可以看到環(huán)繞式航拍下的模型的頂部紋理細節(jié)較完整，體現(xiàn)在頂部設施的分布位置和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的井字形航拍模型相比更加清晰，能夠直觀地分辨出地物;環(huán)繞式航拍下模型頂部輪廓棱角分明，而傳統(tǒng)的井字形航拍模型頂部輪廓出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，影響了模型質(zhì)量。

4? 結(jié)? 論

本文以鄭州師范學院圖書館為拍攝目標，分別采用兩種無人機航拍方式，對比研究環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式的優(yōu)缺點，具體表現(xiàn)在：

（1）時間方面。環(huán)繞式航拍方式用時通常較短，一般需要10～20分鐘，傳統(tǒng)的井字形航拍方式則用時較長，一般需要40～50分鐘;

（2）點云細節(jié)方面。環(huán)繞式航拍路線是畫圓，照片重疊度較高，所獲取的圖像數(shù)據(jù)生成的點云大部分集中在目標建筑上，井字形航拍路線是直線，照片重疊度相對較低，存在獲取的點云數(shù)據(jù)距離目標建筑較遠，造成數(shù)據(jù)冗余;

（3）模型本身細節(jié)方面。從側(cè)面看，環(huán)繞式航拍建立的模型表面輪廓清晰真實，傳統(tǒng)的井字形航拍模型存在部分紋理彎曲現(xiàn)象;從頂部來看，環(huán)繞式模型表面紋理清晰可見，傳統(tǒng)的井字形表面紋理模糊不清。

綜上所述，在塔式建筑的三維建模過程中，環(huán)繞式航拍方式更加節(jié)省時間，生成的點云數(shù)據(jù)不存在過多冗余，相同的數(shù)據(jù)量下建立的模型細節(jié)更優(yōu)，是一種方便高效的航拍方式;但由于部分傳統(tǒng)的塔式建筑周圍存在其他建筑遮擋現(xiàn)象，環(huán)繞式航拍可能會給飛機帶來安全隱患。因此，雖然環(huán)繞式航拍方式省時、高效，但是在選用環(huán)繞式航拍方式時還需要結(jié)合實際情況。

參考文獻：

[1] 李佳烜，姜雪.數(shù)字技術在歷史建筑保護更新中的應用探討——以南滿洲工業(yè)專門學校舊址為例 [C]//2019全國建筑院系建筑數(shù)字技術教學與研究學術研討會.共享·協(xié)同——2019全國建筑院系建筑數(shù)字技術教學與研究學術研討會論文集.重慶：中國建筑工業(yè)出版社，2019：380-384.

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[5] 鄒娟茹，孫興華.基于無人機傾斜攝影測量技術的三維校園建模 [J].科技與創(chuàng)新，2020（20）：61-62.

作者簡介：張桂彬（1999—），男，漢族，河南南陽人，本科在讀，研究方向：地理信息科學;田慶操（2000—），男，漢族，河南濮陽人，本科在讀，研究方向：地理科學;崔迎澳（2000—），男，漢族，河南登封人，本科在讀，研究方向：地理科學;馬紅楷（2000—），男，漢族，河南鶴壁人，本科在讀，研究方向：地理科學;程照陽（2000—），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，本科在讀，研究方向：地理信息科學。