單鏡頭無人機(jī)在城市建筑物三維建模中的應(yīng)用研究

● 黃祥雄,呂日清,賓 琰

（1.廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530031；2.貴港市自然資源局，廣西 貴港 537100；3.南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530001）

城市實(shí)景三維作為數(shù)字城市建設(shè)的重要核心組成部分，其建模技術(shù)正朝著高精度、高效率、低成本的方向發(fā)展。傳統(tǒng)航空攝影測量構(gòu)建的城市三維模型工作量大、過程復(fù)雜、自動(dòng)化程度低[1]，缺少與地物信息的融合，導(dǎo)致建模效果不佳，難以滿足數(shù)字城市建設(shè)的需要。低空無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已逐步取代了傳統(tǒng)航空傾斜攝影模式，被廣泛應(yīng)用到數(shù)字城市三維建模工作中[2?3]。

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、定位精度、操控性等都得到了大幅提升，為消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)在城市三維建模推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。相對(duì)于傳統(tǒng)多鏡頭無人機(jī)而言，消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢，飛行更加靈活。研究小組基于消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)，設(shè)計(jì)“井”字型航線獲取城市建筑物傾斜影像數(shù)據(jù)，利用Smart3D軟件構(gòu)建實(shí)景三維模型，最后從模型成果的平面精度、高程精度及建模效果進(jìn)行探討。

1 單鏡頭無人機(jī)的傾斜攝影測量

1.1 單鏡頭無人機(jī)的優(yōu)勢

在小區(qū)域航攝中，消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)可根據(jù)航攝任務(wù)要求、地物特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)航線，進(jìn)而能夠全方位地對(duì)地物進(jìn)行拍攝，獲取同一地物多角度的影像數(shù)據(jù)。因此，在小區(qū)域范圍內(nèi)的航攝任務(wù)中，消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)相較于多鏡頭無人機(jī)具有視角靈活、操作簡單、價(jià)格低等優(yōu)勢。

1.2 單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量工作流程

單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模的工作技術(shù)流程主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括：（1）像控點(diǎn)布測。根據(jù)研究對(duì)象和區(qū)域地物特點(diǎn)進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)和測量。（2）多角度影像數(shù)據(jù)獲取。合理規(guī)劃航線，采用無人機(jī)外業(yè)獲取研究對(duì)象的多視角影像數(shù)據(jù)。（3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與三維建模。采用Smart3D 軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要包括空中三角測量、影響匹配、生成點(diǎn)云、構(gòu)建三維模型、模型精修?；跓o人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模技術(shù)流程圖

2 實(shí)例數(shù)據(jù)采集

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于南寧市區(qū)，區(qū)域地勢相對(duì)平坦，滿足消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)飛行條件。此次實(shí)驗(yàn)選擇的某棟建筑高約110m，總建筑面積約5.7 萬m2，建筑立面外形由不同半徑的圓弧或橢圓弧結(jié)構(gòu)組合而成，頂面結(jié)構(gòu)高低錯(cuò)落。相對(duì)于正方立面和平整頂面，該建筑結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)逼真的實(shí)景三維模型需要重點(diǎn)處理好立面錯(cuò)落區(qū)域和頂面破碎結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，這需要更多的影像數(shù)據(jù)、更科學(xué)的航拍設(shè)計(jì)以及更好的內(nèi)業(yè)建模水平。相對(duì)城市少數(shù)極度復(fù)雜的建筑，該建筑復(fù)雜程度適中，如果研究能較好地實(shí)現(xiàn)該類建筑的實(shí)景三維建模模型，則可以運(yùn)用于城市中大多數(shù)同類建筑中。因此，選擇該建筑在技術(shù)方案和成本類比方面具有代表性。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)與測量

像控點(diǎn)選點(diǎn)要綜合考慮成圖精度、測區(qū)情況、航線設(shè)計(jì)等因素。研究區(qū)內(nèi)建筑物較高，四周均有樹木，所以選點(diǎn)應(yīng)避免靠近建筑物、樹木及反射物體等，減少RTK 接收的衛(wèi)星信號(hào)受到的干擾。

為保證像控點(diǎn)測量精度滿足建模需要，研究小組對(duì)像控點(diǎn)RTK 測量使用了輔助三角架固定儀，對(duì)中桿氣泡嚴(yán)格居中后再重復(fù)進(jìn)行3 次RTK 測量，在規(guī)范允許范圍內(nèi)取其平均值作為最終成果。此次外業(yè)布測得到了6 個(gè)CGCS2000坐標(biāo)系下的像控點(diǎn)坐標(biāo)，像控點(diǎn)三維坐標(biāo)成果如表1 所示。

表1 像控點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

2.3 影像數(shù)據(jù)獲取

此次研究利用大疆精靈4 無人機(jī)（單鏡頭）進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，通過設(shè)計(jì)“井”字型航線實(shí)現(xiàn)模擬多鏡頭影像數(shù)據(jù)獲取。

“井”字型航線是由兩個(gè)航帶垂直相交構(gòu)成“井”字，使“井”字航線覆蓋整個(gè)研究區(qū)，如圖2（a）所示。由于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)只配備了單個(gè)鏡頭，航攝時(shí)設(shè)置鏡頭仰角為45°，使得“井”字航線交會(huì)處能夠獲取建筑物4 個(gè)方向的傾斜影像，如圖2（b）為單鏡頭無人機(jī)獲取建筑物4 個(gè)視角的影像。

圖2 “井”字型航線示意圖

研究區(qū)域面積約為26m2，研究小組結(jié)合測區(qū)及周邊實(shí)際情況共設(shè)計(jì)了24 條航線，旁向重疊度為70%，航向重疊度設(shè)為80%，航攝相對(duì)航高130m。共拍攝高質(zhì)量影像227 張，影像地面分辨率為3.5cm。

3 內(nèi)業(yè)三維建模與分析

3.1 空中三角測量數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)三維建模采用了Smart3D 軟件。將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D 軟件進(jìn)行影像組檢查，查看影像是否完整。對(duì)于缺失影像要返回影像組重新整理或外業(yè)補(bǔ)拍，以保證相片的完整性?？罩腥菧y量處理前完成6 個(gè)像控點(diǎn)的刺點(diǎn)，保證像控點(diǎn)刺點(diǎn)誤差＜1 個(gè)像元。影像組檢查和像控點(diǎn)刺點(diǎn)完成后，按要求設(shè)置軟件的各項(xiàng)參數(shù)開始空中三角測量數(shù)據(jù)處理。最后，查看空中三角測量的精度報(bào)告，確認(rèn)處理精度達(dá)到規(guī)范要求。

3.2 三維建模

完成空中三角測量數(shù)據(jù)處理后，設(shè)置相關(guān)輸出目錄、參數(shù)后即可開始自動(dòng)三維建模。建模過程主要包括：（1）多視影像匹配，得到地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（2）構(gòu)建TIN 模型，為了提高效率，可在軟件中設(shè)置對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分割，快速生成三角網(wǎng)，便于三維模型構(gòu)建；（3）自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高模型的可視化效率，通過自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)技術(shù)完成模型的紋理配準(zhǔn)，最終得到實(shí)景三維模型。

3.3 三維模型精度分析

3.3.1 三維建模效果分析

經(jīng)過Smart3D 軟件數(shù)據(jù)處理后，最終獲得研究區(qū)建筑物的三維模型。為驗(yàn)證三維模型的構(gòu)建效果，需檢查三維模型外部完整性與模型細(xì)節(jié)。為此，研究小組將構(gòu)建的建筑物實(shí)景三維模型與該真實(shí)建筑物進(jìn)行對(duì)比。圖3 為建筑物實(shí)景三維模型某一視角的效果圖，圖4 為建筑物實(shí)景三維模型垂直視角的細(xì)節(jié)展示圖。

圖3 建筑物實(shí)景三維模型圖

圖4 建筑物實(shí)景三維模型細(xì)節(jié)展示圖

由圖3 可知，模型紋理清晰，建筑物棱角、墻體文字、窗戶等均易分辨，與該建筑物外觀整體上一致。從圖4 可知，在模型細(xì)節(jié)上雖然還能辨認(rèn)出建筑物頂部的太陽能板、衛(wèi)星接收天線，但部分細(xì)節(jié)處出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，表明模型復(fù)雜部分的建模還需改善。

經(jīng)分析，該模型復(fù)雜部分出現(xiàn)模糊的情況是因?yàn)镾mart3D 軟件自動(dòng)建模時(shí)細(xì)節(jié)處理不完善所導(dǎo)致。實(shí)驗(yàn)表明，基于消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量，利用Smart3D 軟件構(gòu)建建筑物實(shí)景三維模型，能夠較為完整還原建筑物的物理原貌，但模型復(fù)雜部分的細(xì)節(jié)層次仍存在一些不足之處。

3.3.2 三維模型精度評(píng)定

為了檢測Smart3D 軟件構(gòu)建的建筑物三維模型整體精度，研究小組使用RTK 實(shí)測了5 個(gè)特征明顯的檢測點(diǎn)，與三維模型中量測得到的同名檢測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)各檢測點(diǎn)x、y坐標(biāo)較差和高程h 較差，結(jié)果如表2 所示。

表2 三維模型檢測點(diǎn)坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)表

由表2 統(tǒng)計(jì)的5 個(gè)同名檢測點(diǎn)三維坐標(biāo)較差結(jié)果可知，x 分量最大差值為13.0cm，中誤差為11.1cm，y 分量最大差值為13.5cm，中誤差為11.5cm；平面最大較差為17.2cm，最小較差14.5cm，中誤差為16.3cm；高程最大差值為18.7cm，最小差值為17.6cm，中誤差為17.7cm?！度S地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015?2012）[4]中明確了1∶500 比例尺（Ⅰ級(jí)）三維模型平面中誤差應(yīng)＜30cm，高程中誤差＜50cm。因此，此次構(gòu)建的實(shí)景三維模型精度達(dá)到了1∶500 比例尺Ⅰ級(jí)精度指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

研究小組采用消費(fèi)級(jí)單鏡頭無人機(jī)，設(shè)計(jì)“井”字型航線采集得到227 張城市建筑物的多角度影像作為數(shù)據(jù)源，利用Smart3D 軟件建立實(shí)景三維模型，同時(shí)對(duì)獲得的三維模型效果及其精度進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，此次構(gòu)建的建筑物實(shí)景三維模型整體性較好，與真實(shí)建筑物相比具有較好的一致性；三維模型精度滿足1∶500 比例尺Ⅰ級(jí)精度指標(biāo)要求。

此次研究中，模型復(fù)雜部分對(duì)應(yīng)的建筑實(shí)體往往是結(jié)構(gòu)錯(cuò)落區(qū)域，形態(tài)破碎。受到無人機(jī)飛行姿態(tài)影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)較難獲??；部分小物體在風(fēng)力等因素干擾下易做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)無法獲取足夠合格的靜態(tài)數(shù)據(jù)，因此，部分建模會(huì)出現(xiàn)模糊的情況。今后的研究中，復(fù)雜建筑的航拍工作應(yīng)選擇在風(fēng)力比較低的晴朗天氣下進(jìn)行，減少風(fēng)力干擾；對(duì)建筑物形態(tài)破碎的復(fù)雜部位可通過人工近景拍攝并相控糾正，采取空地一體化的建模方式盡可能地還原實(shí)景三維模型。