無人機傾斜攝影實景三維建模技術研究與實踐

樊新乾 麻麗明 武曉英 王慶斌

無人機傾斜攝影實景三維建模技術是無人機掛載圖像采集傳感器，采集被采集對象圖像數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期內(nèi)業(yè)處理，得到被采集對象全面的位置信息以及表面紋理數(shù)據(jù)信息，生成實景三維模型。本研究以河北機電職業(yè)技術學院實景三維模型數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為例，探索并實踐了基于無人機傾斜攝影實景三維建模技術。

1無人機傾斜攝影測量技術

隨著無人機機載傳感器的不斷改良，無人機在測繪攝影功能上得到不斷強化，無人機行業(yè)的發(fā)展，無人機設備多樣化及成本也隨之降低，近些年，無人機傾斜攝影測量技術是國內(nèi)外測量領域中發(fā)展應用起來的一項高新技術，已成為攝影測量領域中一個新的研究熱點。傳統(tǒng)測繪人工編輯工作量大，建筑物貼面紋理依靠人工地面拍攝影像，屬于勞動密集型的工作場景，嚴重制約著智慧城市建設的效率，耗費體力的同時降低了工作效率。

無人機攝影測量與傳統(tǒng)測繪相比有以下三大特點：高精度，高效率，低成本。三維建模的難度比二維數(shù)據(jù)要復雜的多，隨著測繪技術的發(fā)展和三維建模算法的不斷優(yōu)化，數(shù)據(jù)獲取的方法越來越多，精度越來越高，分析各種三維建模方法的優(yōu)缺點，現(xiàn)階段，無人機傾斜攝影技術的重要性逐步提高，已成為是智慧城市三維建模的主要技術。

2無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

目前常用的傾斜攝影無人機有大疆創(chuàng)新公司系列產(chǎn)品，如精靈PHANTOM4 RTK單鏡頭系統(tǒng)、M300 RTK搭載傾斜攝影五鏡頭系統(tǒng)、深圳飛馬機器人科技有限公司飛馬智能航測F300固定翼無人機系統(tǒng)，成都縱橫自動化技術股份有限公司CW-15垂直起降無人機系統(tǒng)等。以上三大系列涵蓋了多旋翼，固定翼、垂直起降等多種機型。

無人機傾斜攝影采集方式主要有三種：第一是使用像大疆創(chuàng)新精靈PHANTOM4 RTK版本，搭載單鏡頭無人機，數(shù)據(jù)采集需要按照五向或者“井”字形航線，在空中多角度重復飛行，適用于小范圍數(shù)據(jù)采集或者單體建模。第二種是使用搖擺或旋轉(zhuǎn)兩鏡頭，在采集區(qū)域飛行一個架次，多次多角度拍攝來采集數(shù)據(jù)，目前已逐步被五拼相機所代替。第三種使用無人機搭載五鏡頭相機，同一位置采集五個方向數(shù)據(jù)，適用于大范圍數(shù)據(jù)采集，三種方式各有不同的應用場合和優(yōu)缺點，使用時根據(jù)具體情況選擇。

3航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是傾斜攝影測量的重要環(huán)節(jié)，利用照片進行三維重建是一項關鍵性的技術。傾斜攝影測量技術獲取多角度的高分辨率測量影像數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)大場景，超精細，實景三維的最真實還原。傾斜攝影建模采用高精度、高效率、一體化的自動建模技術，建立測區(qū)三維模型。傾斜攝影實景三維建模技術集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動建模技術于一體。傾斜攝影實景三維建模軟件主要有包括了Pix4Dmapper、Smart3D、PhotoScan、街景工廠等，PhotoScan軟件較小，但是生成的模型紋理效果不是太理想，Smart3D三維模型效果最為理想，而且人工修復工作量較低。利用PhotoScan、Smart3D等相關軟件，在有無像控點的的情況下，能夠完成多視圖、多視角的三維重建，還原出最真實的三維場景。同時，利用相關數(shù)據(jù)處理軟件可以精準測量被測對象三維模型的面積、高度、長度、體積等數(shù)據(jù)。

4河北機電職業(yè)技術學院實景三維模型的建立

本項目的測量區(qū)域為河北機電職業(yè)技術學院校區(qū)，位于華北平原南部，學校所處區(qū)域地勢平坦，海拔落差不超過5米，學校最高建筑物為主樓，高度約為60米，其他主要建筑均不超過6層，校內(nèi)包括實訓樓，教學樓，實習工廠，食堂，學生宿舍，田徑場、在建公寓樓等，占地總面積約為55萬平方米。

本項目無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集設備為精靈PHANTOM4 RTK，精靈Phantom4 RTK是大疆創(chuàng)新公司出品的小型多旋翼高精度航測無人機，主要面向低空攝影測量應用，具備高性能成像以及厘米級導航定位系統(tǒng)，攜帶使用方便，能夠全面提升航測效率。

5作業(yè)流程

參考標準《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T15661-2008）對測區(qū)合理設計航線，確保目標攝區(qū)被完全覆蓋。飛行高度根據(jù)周邊建筑高度以及模型分辨率而定。

第一步考察現(xiàn)場，航測作業(yè)前，綜合考慮無人機飛行參數(shù)，測區(qū)地形地貌、所需測量精度等因素，根據(jù)奧維地圖確定被測范圍，確定相控位置，建筑類模型布控以“米”字形進行鋪設。

第二步航線規(guī)劃，飛控軟件規(guī)劃航線，無人機按照設計航線飛行，航高需要高于建筑物40-80米，確定為110米，航向重疊度以及旁向重疊度均設置為75%。實際工作中根據(jù)天氣實況、地物、地形情況以及參考曝光量，確保曝光量的準確。

第三步實地作業(yè)，首先利用中海達手持RTK，進行相控的鋪設，鋪設完相控，利用精靈PHANTOM4 RTK進行航飛，拍照模式選擇等距間隔拍照，時間間隔為2s，邊距0m.根據(jù)航線規(guī)劃，飛行速度設為8m/s，分辨率為1.5cm。本次共獲得航片8572張。POS數(shù)據(jù)由無人機在數(shù)據(jù)采集時生成，包括海拔、經(jīng)緯度、高度、飛行姿態(tài)等豐富的信息。

第四步數(shù)據(jù)處理，外業(yè)采集結(jié)束后，將采集回來的照片，相控數(shù)據(jù)導入進按照Smart3D軟件實景建模的相關技術流程，打開smart3D軟件，新工程-建項目（英文名稱），選擇文件保存的路徑，影像導入處理好的照片目錄：添加影像，添加整個目錄，檢查影像文件是否完全導入，點擊概要提交空三測量數(shù)據(jù)等待空三結(jié)果計算完畢后，查看3D視圖是否可以進行建模。

6結(jié)語

通過河北機電職業(yè)技術學院實景三維模型，并且制定了規(guī)范的無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的教學項目，有效的指導了無人機應用技術專業(yè)航測應用教學工作。提高專業(yè)師生的實踐能力，實現(xiàn)測量、標繪、分析、內(nèi)容演示、模型優(yōu)化、三維全景展示、可視化管理平臺深度，助力智慧校園建設。

課題來源：河北省高等學?？茖W研究項目，項目編號：Z2018233。