無人機傾斜攝影技術在智慧校園實景三維建模中的應用

占森方，李元松，陶文華，陳 陣，楊毛毛，姜 珊

（武漢工程大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢430074）

智慧城市理念自2008年誕生以來，在國際上引起廣泛關注并持續(xù)發(fā)展[1]，教育行業(yè)作為智慧城市的重要組成部分被社會各界重點關注，2010年浙江大學提出智慧校園概念[2]，智慧校園作為未來校園發(fā)展的新理念和新實踐，成為學術界和教育界關注的焦點。近年來，國家相關部門相繼出臺了智慧校園建設規(guī)范標準，2018年發(fā)布的《智慧校園總體框架（GB/T 36342-2018）》提出基于地理信息技術、虛擬現(xiàn)實技術、計算機圖形學等高新技術，以真實校園整體為藍本，構建三維可視化的逼真校園環(huán)境和景觀。

傳統(tǒng)的三維建模技術通常使用3ds Max、AutoCAD等建模軟件，基于影像數據、CAD平面圖進行人工建模，這種方法建設周期長、成本高、與真實世界反差大[3]；近年來，隨著小型無人機技術的進步與成熟，傾斜攝影測量技術得到迅猛發(fā)展，該技術以大范圍、高清晰、高精度的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業(yè)的數據處理流程生產的三維模型直觀地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，建設周期短、生產效率高、成本低，如今已成為實景三維建模的主流趨勢。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是以無人機作為空中平臺，結合GPS差分定位、攝影機和遙感傳感器等技術，獲取高精度、高分辨率的影像等信息，應用于勘探、測繪、建模等方向的先進新興綜合技術[4]。無人機傾斜攝影技術路線如圖1所示。

圖1 無人機傾斜攝影技術路線

1.1 布設像控點

像控點是無人機傾斜攝影業(yè)內影像解析和建模的基礎，用于糾正無人機因定位受限或電磁干擾而產生的位置偏移、坐標精度過低以及因氣壓計產生的高層差值過大等問題。像控點布設要求均勻分布在航攝區(qū)域航向和旁向重疊范圍內，像控點選點應選在平坦、相對固定易于準確測量、目標影像清晰且易于判刺的地方[5]，做好易于分辨且不易被破壞的標記，一般采用標靶式或油漆式像控點標記。

1.2 航攝參數設計

航攝參數設計主要包括地面分辨率、航行高度和像片重疊度等。

1.2.1 地面分辨率

地面分辨率（GSD）是指每毫米所能辨別的黑白相隔的線對數（線對/毫米），通常以像元的大小來表示，一般像元越小，地面分辨率越高，信息量越大。GSD應根據航攝成圖的比例尺、地形等條件確定，通常參考表1。

表1 地面分辨率取值參考

1.2.2 航行高度

航行高度由相機參數和地面分辨率所決定，計算公式如式（1）所示。對提高建模精度而言，適當調低航行高度有一定效果，但如果航高過低會導致像片數量過多，增加外業(yè)像控和內業(yè)建模的工作量，并且航高過低會增大安全風險[6]?！兜涂諗底趾娇諗z影規(guī)范》規(guī)定：攝影分區(qū)內地形高差不應大于1/6航高。因此，應綜合考慮建模精度、工作量、規(guī)范和安全等因素，在滿足各項技術精度指標的前提下，確定相對適宜的航高。

式中：H-航行高度，單位為m；f-鏡頭焦距，單位為mm；GSD-地面分辨率，單位為m；α-像元尺寸，單位為mm。

1.2.3 重疊度

航向重疊度是指一條航線上兩張相鄰像片的重復率，一般取60%～80%；旁向重疊度是指兩條相鄰航線上像片之間的重復率，一般取30%～75%。重疊度計算公式如式（2）所示。由式（2）可知，重疊度由相較于基準面的高差Δh決定，Δh為0時，重疊度與標準值相同，因此在設計像片重疊度時要考慮高差因素，一般適當增加重疊度以滿足精度要求。

式中：pX，qY-像片上的航向重疊度和旁向重疊度（%）；p′X，q′Y-航攝像片的航向和旁向標準重疊度（%）；Δh-相對于攝影基準面的高差，單位為m；H-攝影航高，單位為m。

1.3 航線敷設

確定航高、重疊度之后，計算航線距離，航線距離即為相鄰兩航帶間隔，其計算公式如式（3）所示。通過計算確定航線距離后，按測區(qū)實際情況計算航線條數，敷設航線，航線通常按照東-西向敷設，帶狀范圍沿著窄邊飛行為宜。航線規(guī)劃完成后，需勘察地形，選擇合適的起降場地，應避開禁飛區(qū)或影響飛行安全的建筑，選擇行人較少、視野開闊的區(qū)域。

式中：Sx-航線距離，單位為m；Mi-旁向重疊度（%）；Ki-絕對航高，單位為m；Ji-最高點高程，單位為m；b-鏡頭焦距，單位為mm；m-底片寬度，單位為mm。

2 實景三維建模技術

對獲取的無人機遙感影像進行處理，首先確定所采用的坐標系統(tǒng)，將采集到的坐標數據向目標坐標系進行轉換，結合影像的POS數據、布設的像控點等信息進行空中三角測量[7]，然后通過圖像幾何畸變校正、圖像增強、影像拼接等處理，生產三維模型。處理遙感影像的三維建模過程如圖2所示。

圖2 遙感影像三維建模流程

目前，Context Capture、PhotoScan以及Pix4Dmapper是業(yè)界主流的傾斜攝影建模平臺，通過建模速度、模型精度、工作量等方面對三款軟件進行對比，如表2所示，綜合考慮選擇Context Capture作為校園實景三維模型建模平臺。在模型生產過程中，受到航攝盲區(qū)、像片質量及POS參數準確度等問題的影響，會造成模型部分區(qū)域空洞、扭曲、映射錯誤、紋理丟失等[8]，Dp Modeler可以對實景三維模型進行踏平、橋接、補洞、紋理修改等操作，實現(xiàn)模型整體修飾，因此本文采用Dp Modeler對實景三維模型進行精細化處理。

表2 建模軟件綜合對比

3 校園實景三維建模應用

3.1 獲取校園遙感影像

以武漢工程大學武昌校區(qū)為例，使用大疆御Mavic 2雙光行業(yè)版無人機作為航攝設備，飛行器參數見表3，相機參數見表4。由于學校附近存在禁飛區(qū)，因此選取遠離禁飛區(qū)的校園區(qū)域作為試驗區(qū)，試驗區(qū)面積500m×500m，劃分為一個航攝區(qū)域，使用航拍板在航攝區(qū)域內均勻布設五個像控點并測量像控點坐標、高程。由于試驗區(qū)面積不大，因此成圖比例尺取1：500，根據表1將地面分辨率設置為5cm，由表4可知相機像元尺寸為0.012mm，根據表4將相機焦距設置為35mm，通過式（1）計算航行高度，應設置為150m。試驗區(qū)內建筑密集，根據《低空數字航空攝影規(guī)范》規(guī)定和大疆御Mavic 2航攝設備精度要求，適當提高重疊度，航向重疊度設置為70%，旁向重疊度設置為60%。試驗區(qū)最高建筑30m，根據式（3）和表4相機參數計算航線距離，應設置為90m，試驗區(qū)寬度500m，故應布設6條航線。

表3 飛行器參數

表4 相機參數

選擇晴朗、無風、少云的天氣進行航攝任務，在無人機遙感控制器中劃分測區(qū)，輸入上述參數，無人機自動生成最優(yōu)航攝路線、飛行速度、攝影間隔等，選擇空曠無人、視野開闊的起降地點，開始航攝任務，在無人機執(zhí)行任務時監(jiān)測無人機狀態(tài)，確保航攝設備正常工作，無人機任務結束后檢查影像質量，共獲得242幅有效影像。

3.2 校園實景三維建模

使用Context Capture處理傾斜攝影獲取的遙感影像，新建一個工程，導入遙感影像，檢查影像完整性，將外業(yè)測量的控制點信息通過像片刺點輸入到建模系統(tǒng)中，將像片POS信息輸入系統(tǒng)中，進行空中三角測量運算。空中三角測量運算完成后提交模型重建項目，輸入空間參考坐標，為模型生產項目劃分瓦片，進行實景三維模型重建。三維模型重建完成后使用Dp Modeler對模型進行精細化優(yōu)化，填補模型空洞，將模型扭曲部分踏平，修飾紋理，試驗區(qū)實景三維建模結果如圖3所示。校園實景三維模型通過LOD Tree Export向校內師生和社會人士展示，能夠提高模型的渲染度，并且提供漫游功能，完美展現(xiàn)校園風貌。

圖3 試驗區(qū)實景三維模型

4 結束語

通過無人機傾斜攝影技術、三維建模技術，以武漢工程大學武昌校區(qū)為試驗區(qū)，進行實景三維建模試驗，其效果良好，可以應用于智慧校園建設。還可以進一步使用GIS處理三維模型，為模型各建筑物、道路等創(chuàng)建節(jié)點，基于物聯(lián)網技術，在現(xiàn)實中使用近場通信等技術關聯(lián)各節(jié)點，實時更新節(jié)點信息，用戶通過點擊模型節(jié)點可以查詢實時信息，例如教學活動情況、社團活動情況等，實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的關聯(lián)，進一步實現(xiàn)校園智慧化。