消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)難點(diǎn)研究

摘 要：對(duì)大部分小型影視動(dòng)畫(huà)、建筑設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)，傾斜攝影制作的實(shí)景三維模型，不僅是項(xiàng)目展示的最好平臺(tái)背景，也是獲取項(xiàng)目數(shù)據(jù)與參數(shù)的重要來(lái)源。但是，五鏡頭傾斜攝影無(wú)人機(jī)價(jià)格較貴、使用要求較高，一般公司若不開(kāi)展測(cè)繪相關(guān)工作，配備此類無(wú)人機(jī)并無(wú)必要。而一般設(shè)計(jì)公司都會(huì)購(gòu)買(mǎi)輕型無(wú)人機(jī)進(jìn)行項(xiàng)目環(huán)境拍攝、現(xiàn)狀航拍等，本文提出利用輕型的單鏡頭無(wú)人機(jī)，采用小航高、5向航線設(shè)計(jì)、高重疊率的方法拍攝傾斜照片，配以二次空三解決模型瓢、斜、重面問(wèn)題，再輔以三維軟件進(jìn)行模型修補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量實(shí)景模型。以某車輛段工程為實(shí)踐，對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法精度完全滿足項(xiàng)目需要，模型質(zhì)量好且作業(yè)效率高。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)級(jí)單鏡頭無(wú)人機(jī);傾斜攝影測(cè)量;模型修補(bǔ)

1 緒論

隨著傾斜攝影技術(shù)的逐漸普及，實(shí)景三維模型越來(lái)越多的運(yùn)用到項(xiàng)目展示、BIM模型演示平臺(tái)制作、影視動(dòng)畫(huà)制作中，它能多視點(diǎn)的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，建立具有真實(shí)尺寸與地理坐標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)模型，客觀地反映地表情況，滿足人們對(duì)三維信息的需求。但對(duì)于大部分小型影視動(dòng)畫(huà)公司、建筑設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)，他們的項(xiàng)目范圍大都為幾棟樓、一個(gè)街區(qū)、1～2千平方米，為了這種小項(xiàng)目，專門(mén)采購(gòu)多鏡頭測(cè)繪級(jí)無(wú)人機(jī)制作實(shí)景模型即不必要成本也相對(duì)太高。而采用低成本的單鏡頭消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影拍攝，并利用技術(shù)手段彌補(bǔ)單鏡頭攝影的缺陷，制作出合格的實(shí)景三維模型，將極大的促進(jìn)實(shí)景三維模型的應(yīng)用范圍，在城市三維建模、項(xiàng)目前期查勘、項(xiàng)目規(guī)劃預(yù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本文基于某城市地鐵車輛段設(shè)計(jì)工程，探討了使用消費(fèi)級(jí)、單鏡頭、低價(jià)格、輕型無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量制作三維實(shí)景模型，并通過(guò)改進(jìn)相關(guān)作業(yè)方法，使用技術(shù)手段提高模型質(zhì)量，降低無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用門(mén)檻。

2 項(xiàng)目概況

本文研究項(xiàng)目為某市地鐵規(guī)劃車輛段工程，地塊現(xiàn)狀已完成拆遷，項(xiàng)目東西各有已建成的多棟約20層樓的住宅建筑。建模范圍東西長(zhǎng)約1500米，南北寬約500米，周邊預(yù)留安全邊界，拍攝范圍約1平方公里。（圖1）

3 拍攝難點(diǎn)及解決方案

3.1 拍攝器材

次項(xiàng)目航拍采用大疆Inspire1悟pro無(wú)人機(jī)，該機(jī)為四軸飛行器，最大飛行速度18m/s，最大飛行高度2000米。該機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是搭載了禪思X5航拍相機(jī)，該相機(jī)采用了微型4/3的大尺寸傳感器，像素1600萬(wàn)，能捕捉非常清晰的畫(huà)面和豐富的細(xì)節(jié)，成像質(zhì)量很好。但正由于該機(jī)追求的是卓越的拍攝質(zhì)量，因此整機(jī)重量較大，導(dǎo)致滯空時(shí)間短，最大飛行時(shí)間只有18分鐘，預(yù)留20%電力作為安全備用，再除去到達(dá)航點(diǎn)與返航時(shí)間，真正的作業(yè)時(shí)間僅10分鐘左右，以航向和旁向均85%的重疊率計(jì)算，一次航程只能拍攝0.2平方公里的范圍。為了最大利用無(wú)人機(jī)的有效飛行距離，在本次拍攝中對(duì)三塊區(qū)域分別設(shè)置了1個(gè)起飛點(diǎn)，以使無(wú)人機(jī)升空后能盡快到達(dá)作業(yè)點(diǎn)開(kāi)始拍攝工作。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)建筑高差大

由于拍攝場(chǎng)地周邊建筑高差達(dá)到60米，而本項(xiàng)目又是低空拍攝（設(shè)計(jì)航高120米），因此，如果全場(chǎng)飛行保持同一高度，當(dāng)無(wú)人機(jī)飛到相對(duì)比較高的樓宇區(qū)時(shí)，在無(wú)人機(jī)視場(chǎng)角不變、飛行高度不變的情況下，相對(duì)航高將由120米減小到60米，這會(huì)導(dǎo)致單張照片覆蓋的范圍變小，進(jìn)而導(dǎo)致相鄰照片的重疊率變小。當(dāng)重疊率小到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致空三失敗。因此，我們對(duì)不同區(qū)域采用了不同的飛行方案（圖1、圖2）：1區(qū)，由于區(qū)域內(nèi)都是低矮的植物及部分平房建筑，采用100米航高正頂視鏡頭一次拍攝;2區(qū)小區(qū)高樓，采用五向拍攝，即對(duì)同一區(qū)域飛行5次，分別采集1正射+4個(gè)方向傾斜的數(shù)據(jù)，并在正頂視飛行時(shí)加高航高到120米，增大重疊率為90%。

4 建模難點(diǎn)及解決方案

由于本次飛行使用的無(wú)人機(jī)不帶RTK模塊，無(wú)法提供精準(zhǔn)定位能力，且由于項(xiàng)目周期及成本原因，現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有做像控點(diǎn)，以及一塊場(chǎng)地多點(diǎn)起飛、多次組合飛行等原因，為后期的建模工作造成了很大的難度。

4.1 空三問(wèn)題

由于本次使用的無(wú)人機(jī)只能使用機(jī)載GPS進(jìn)行定位，定位精度較差。當(dāng)無(wú)人機(jī)完成一塊電池飛行，返回啟航點(diǎn)更換電池后延續(xù)原航線飛行時(shí)，往往不能準(zhǔn)確到達(dá)上次結(jié)束的位置，從后期空三文件來(lái)看，前后兩次的飛行軌跡平面位置偏差有3—5米，高度方向偏差達(dá)到5—10米！

本次實(shí)景模型建模使用bentley公司的ContextCapture軟件進(jìn)行建模，ContextCapture空三對(duì)原始相片的畫(huà)面質(zhì)量和定位精度要求較高，因此，本項(xiàng)目在空三階段就出現(xiàn)空三不過(guò)的問(wèn)題。

因此，我們使用了Photoscan軟件進(jìn)行空三運(yùn)算。PhotoScan是一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的實(shí)景建模軟件，具有較強(qiáng)的空三處理能力，并能將生成的空三文件導(dǎo)出為別的軟件所用。計(jì)算步驟為：

（1）photoscan中導(dǎo)入所有航拍影像;

（2）選擇兩次航拍的重合位置，找尋明顯的標(biāo)志點(diǎn)，如路沿石的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，花壇的角點(diǎn)等，對(duì)此標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)連接;

（3）空三運(yùn)算，生成密集點(diǎn)云;

（4）把密集點(diǎn)云文件導(dǎo)出為blocks exchange格式，再把這個(gè)文件在ContextCapture中加載，再次空三，通過(guò)。

4.2 模型修模

實(shí)景建模，對(duì)于細(xì)小的物體、水面等的建模是一大難點(diǎn)，自動(dòng)生成的模型往往有模型扭曲、破面等問(wèn)題，特別是對(duì)于本項(xiàng)目采用的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)拍攝影像所建模型，這類問(wèn)題更加嚴(yán)重（圖3）。這些問(wèn)題僅憑對(duì)ContextCapture的優(yōu)化是很難解決的。因此，必須通過(guò)三維軟件進(jìn)行修補(bǔ)，本項(xiàng)目中，我們采用3DMAX軟件對(duì)生成的模型進(jìn)一步修整。步驟為：

（1）ContextCapture空三完成后，要對(duì)模型進(jìn)行規(guī)則平面網(wǎng)格切塊，每塊大小必須考慮效率與效果，如果分塊太大，每塊修模時(shí)會(huì)占用過(guò)大的內(nèi)存資源，影響軟件運(yùn)行效率。而分塊太小又導(dǎo)致模型切分太多，修模數(shù)量太大，影響修模效率。可以參考內(nèi)存占用量，以不超過(guò)內(nèi)存占用90%為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分塊大小設(shè)置;

（2）ContextCapture選擇生成三維網(wǎng)格，導(dǎo)出分塊obj格式模型;

（3）3DMAX導(dǎo)入分塊模型。3DMAX具有豐富的三維模型處理工具與方法，針對(duì)模型的具體問(wèn)題可以采用補(bǔ)、刪、擠、拉等手段對(duì)模型進(jìn)行修整;

（4）修整完成的模型再次導(dǎo)入ContextCapture，提交更新，生成即可（圖4）。

5 模型質(zhì)量

對(duì)完成的模型進(jìn)行網(wǎng)格分析與影像分析，采用本流程完成的三維實(shí)景模型，影像真實(shí)清晰、整體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，除樓宇頂部由于與地面的重疊率相差較大，有部分扭曲外，整體滿足了預(yù)期要求。本方法還可根據(jù)項(xiàng)目需要對(duì)模型的建構(gòu)筑物以及場(chǎng)平進(jìn)行調(diào)整，是一種可行的傾斜攝影數(shù)據(jù)采集及建模方案。

6 總結(jié)

本研究采用了利于普及的小成本、不需專業(yè)測(cè)繪技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)傾斜實(shí)景模型的制作。但由于受消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)電池容量、飛行速度、定位精度的影響，本方法只適用于1平方公里左右的小范圍實(shí)景模型制作。本研究的方法，對(duì)非專業(yè)測(cè)繪制作公司、應(yīng)急項(xiàng)目、技術(shù)方案探索等應(yīng)用場(chǎng)景，制作實(shí)景三維模型具有很強(qiáng)的適用性，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張亞南（1974— ），男，漢族，四川自貢人，高級(jí)工程師，從事GIS＼＼BIM應(yīng)用研究。