基于無人機傾斜攝影測量的校園實景三維建模

薛建華，卞小雨

（1.山西大同大學建筑與測繪工程學院，山西大同 037003；2.測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢 430000）

目前各城市的智慧化建設(shè)正在不斷發(fā)展，城市實景三維建筑模型成為構(gòu)建智慧城市的重要工具。若建立一個城市三維模型，不僅需要實地觀測到的地理信息數(shù)據(jù)，還需要城市規(guī)劃設(shè)計信息，在這兩種關(guān)鍵信息的需求下，將無人機傾斜攝影測量技術(shù)與BIM 技術(shù)結(jié)合起來已經(jīng)是大勢所趨。無人機傾斜攝影測量采集的圖像數(shù)據(jù)不僅反映了地面物體的真實特征，還運用更精準的定位技術(shù)并嵌入準確的地理信息，從而生成符合真實場景的三維底圖。在三維基礎(chǔ)圖的基礎(chǔ)上，采用BIM技術(shù)對室內(nèi)外建筑的數(shù)據(jù)進行精準化的分析、重構(gòu)和處理，并根據(jù)實際場景的恢復，進一步細分化，實現(xiàn)信息化管理的同步建設(shè)，在模型的構(gòu)建和實際應(yīng)用中大有發(fā)揮空間，也為測繪事業(yè)不斷開辟新天地。

1 實驗與方法

1.1 實驗原理

1.1.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量是利用同一飛行器上搭載的多個拍攝設(shè)備，同時對同一觀察物體的不同方向取得豐富信息，然后通過高精度的數(shù)據(jù)處理方式，能夠以更高清晰度、高精確性的方式全面探測空間復雜場景，最終得到更真實效果和測繪級精度的研究對象幾何和位置等信息[1]。

除此之外，傾斜攝影測量技術(shù)可以更加真實客觀地構(gòu)建被測量物體帶有外觀特征的實景模型，降低了建模價格，且建筑模型數(shù)據(jù)信息量小，便于在網(wǎng)上進行發(fā)布和共享。

1.1.2 BIM 技術(shù)

BIM (Building Information Modeling)，是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，利用構(gòu)建虛擬的建筑三維模型，為工程建設(shè)提供集成了項目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)[2]。同時，形成與實際項目相關(guān)完整一致的建筑工程信息庫，將設(shè)計、施工生產(chǎn)、運營管理及安全監(jiān)測等各個階段完美有機地聯(lián)系起來，有效提高工程效率。同時，可以在不同的建筑階段和根據(jù)不同的用戶需求，對這個共享資源庫的BIM 進行檢索、查看、應(yīng)用、編輯更新相關(guān)的建筑信息，進一步為各涉及方的協(xié)同作業(yè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，提高建筑信息的應(yīng)用價值。其應(yīng)用范圍、領(lǐng)域非常廣闊，可以跨越建筑項目的全階段參與信息管理，并且可以同時聯(lián)結(jié)建筑項目各部分參與人員協(xié)同工作。

在傾斜攝影測量建立的三維實景底圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)所做規(guī)劃，利用BIM 數(shù)字化技術(shù)在模型上進行設(shè)計和精修，從而提供更完好的三維建筑模型，而且能將建筑設(shè)計成果很好地展示出來。在使用者直觀欣賞的同時，可以就不滿意的地方直接修改，以求達到最佳的模型效果。

1.2 數(shù)據(jù)背景

現(xiàn)以某高校校區(qū)所覆蓋范圍及其周圍環(huán)境為研究區(qū)域，以傾斜攝影測量采集的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而后基于高精度的實景點云和預期所做規(guī)劃對建筑模型進行設(shè)計、調(diào)整及精修，從而減小預期規(guī)劃與實地施測不符所產(chǎn)生的多余成本。

1.3 航線設(shè)計與航測數(shù)據(jù)采集

（1）航測范圍的確定：某高校校區(qū)占地范圍740 m×443 m。

（2）現(xiàn)場調(diào)查和資料收集：校園環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查，尋找合適的起飛地點即該校區(qū)操場中心，收集天氣氣象資料，并制定合理的飛行時間。

（3）航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)定：根據(jù)現(xiàn)場條件，從中心區(qū)域即操場中心出發(fā)規(guī)劃符合相關(guān)要求的航線。校區(qū)地勢較平坦，平均高程約1 132 m，影像數(shù)據(jù)航向重疊度保證80%，旁向重疊度為70%。根據(jù)測區(qū)實際情況設(shè)置參數(shù)，在航線設(shè)計軟件中會自動生成無人機飛行方案，主要參數(shù)有飛行航線的起飛點與降落點坐標，飛行器攝像頭曝光點的坐標。飛行路線如圖1。實地航飛過程中，無人機在到達設(shè)定位置后，荷載相機將會按所對應(yīng)的曝光點坐標和角度進行實際拍攝。

圖1 航線設(shè)計圖

飛行參數(shù)設(shè)計：①選用索尼A58 相機，傳感器最高分辨率為5 456×3 632，像元大小為4.2 μm[3]。②正攝與傾斜方位相機焦距相同，均選用20 mm，并保證地面分辨率為5 cm。③因為測區(qū)范圍內(nèi)最高建筑物約為35 m，同時綜合考慮到分辨率的要求，飛行高度最終設(shè)置為70 m。

（4）傾斜三維攝影采集：按照所計劃的施測方案進行航測飛行數(shù)據(jù)的采集作業(yè)。作業(yè)人員在操場中央的地面站進行無人機組裝并設(shè)定上述參數(shù)后，便可施行航測作業(yè)。無人機將按照上述飛行方案所指定的航線進行空中拍攝，作業(yè)人員只需觀察無人機位置及實時飛行參數(shù)。

1.4 航飛數(shù)據(jù)的檢查

航飛完成后，首先要對獲取的影像進行質(zhì)量檢查，對不合格的區(qū)域進行補飛，直到數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足可靠性要求[1]。

2 模型構(gòu)建

2.1 實景三維建模的生產(chǎn)流程

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件采用ContextCapture（原Smart3D軟件），能夠以一組對建筑物從各個角度拍攝的數(shù)碼照片作為數(shù)據(jù)源[4]；同時輔助外部參數(shù)：攝影機參數(shù)(焦距、傳感器尺寸、鏡頭畸變)，影像的外部配置信息(POS)，控制點等信息；無需人工操作，生成輸出的三維網(wǎng)格模型能夠準確精細地表現(xiàn)出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細節(jié)構(gòu)成，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過程。

根據(jù)攝影測量原理，在ContextCapture 軟件中操作流程如下：

（1）數(shù)據(jù)預處理：對航攝影像進行調(diào)色處理，可以得到影像內(nèi)部與像片之間的勻光勻色；繼而進行多視影像數(shù)據(jù)的幾何校正和同名點密集匹配，可以快速準確獲取同名像點坐標，獲取對應(yīng)地面點的三維信息。同時，為了方便后期的影像聯(lián)合解算，需要將正射垂直方位與傾斜方位影像進行分類，并旋轉(zhuǎn)為正向影像。

（2）多視影像的聯(lián)合平差：不同于傳統(tǒng)的正射影像處理，傾斜攝影技術(shù)得到的是多視角影像信息，在解決圖像的幾何變形與影像的遮蔽部分后，需要考慮對四個傾斜鏡頭和垂直下視鏡頭拍攝的圖像進行聯(lián)立解算，同時結(jié)合POS 系統(tǒng)提供的航片位置與方向的外方位元素，混合地面控制點信息，統(tǒng)一完成影像自檢校和區(qū)域網(wǎng)平差，解算得到滿足精度要求的外方位元素。然后將平差結(jié)果賦予每張傾斜影像，使每張像片進行實時量測，即每個像素對應(yīng)真實的地理坐標位置。

（3）模型構(gòu)建：利用計算機視覺技術(shù)進行多視影像的特征匹配，同時可獲取建筑物的特征信息，以及生成建筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)和恢復被攝物體三維密集點云數(shù)據(jù)，對三維立體點云進行分塊可自動構(gòu)造出TIN 白模型。實時紋理映射技術(shù)可以增強模型的真實感，結(jié)果以O(shè)SGB 格式輸出真實場景模型成果[5]。

（4）模型檢查與編輯：對于類似教學樓等表面光滑、易發(fā)生鏡面反射的建筑物，同名像點的自動匹配有一定難度，會導致構(gòu)建的模型容易出現(xiàn)破洞。因此，要結(jié)合實地的具體勘測對模型進行修復和編輯不閉合的領(lǐng)域。

按照上述實驗步驟構(gòu)建的立體模型如圖2。

圖2 實景三維立體模型

2.2 建筑模型的形成

基于傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的實景三維模型，通過BIM 技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計和呈現(xiàn)建筑物內(nèi)部布局和建筑物周圍的綠地。

2.3 三維數(shù)據(jù)精修及更新

運用DP-Modeler 軟件對Smart3D構(gòu)建的模型成果進行精修，如建筑物外部的棱角、建筑物內(nèi)部具體構(gòu)造及整體校區(qū)的綠化區(qū)域部分等，為后期模型的實地設(shè)施、運營管理、變形監(jiān)測等提供便捷。

（1）局部區(qū)域分別編輯：確定需要精修的建筑區(qū)域，對需要加工的局部進行裁剪剝離。例如：進行各室內(nèi)房屋結(jié)構(gòu)的精修，將各教室的室內(nèi)按照實地進行具體布置(講臺，課桌等)，效果如圖3。

圖3 教室室內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

（2）精細修編重建：采用軟件自動解算和人工操作對數(shù)據(jù)模型進行精細加工。精修該校區(qū)實訓樓周圍所需建設(shè)的綠化帶，其具體布設(shè)位置如圖4。

圖4 實訓樓前綠化建設(shè)

（3）更新整合：將精修后的數(shù)據(jù)模型復原到原場景中，實現(xiàn)無縫融合。因手工建模的特點是建筑物均是單體化完成建立，在對已有的手工建模更新時，可用精修后的傾斜建模數(shù)據(jù)代替原手工建模數(shù)據(jù)對應(yīng)修建區(qū)域，從而實現(xiàn)已有手工模型數(shù)據(jù)的更新維護。

3 結(jié)果分析

為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，選取五點法布設(shè)地面控制點，像控點位置均勻分布在整個測區(qū)四角點，中心點位于操場中央位置。同時，為了滿足所構(gòu)建模型的精度，整個校區(qū)中還布置了20 個檢查點來驗證模型的準確性，位置在辦公樓東側(cè)、實訓樓門口等特征地點。所有像控點與檢查點利用GPS-RTK進行高精度的實地量測，并且在三維模型上提取量測出所對應(yīng)檢查點的模型點坐標，與外業(yè)觀測的實際坐標對比，完成模型的檢查。所選取的部分點位坐標見表1。

表1 控制點成果 /m

根據(jù)平面點位中誤差的計算公式，可得實驗模型上檢查點的平面坐標平均誤差為0.109 m，而所有點中最小誤差是0.023 m，最大為0.184 m。同時，根據(jù)高程中誤差計算公式，可得檢查點上的高程平均誤差是0.158 m，其中最小值為0.021 m，最大值為0.433 m。由此可知，傾斜攝影測量技術(shù)所獲取的點位坐標中，平面誤差略高，高程方向的誤差稍遜。按照《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T7930－2008)，在平原地區(qū)，1∶500 地形圖上的平面點位限差為0.3 m，高程測量誤差限差為0.5 m[6]。因此，實驗項目點位平面和高程方向的精度均滿足1∶500比例尺地形圖的測圖要求。

4 結(jié)語

結(jié)合BIM 技術(shù)與無人機傾斜攝影測量技術(shù)，利用新型高效的數(shù)據(jù)采集方式及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程，能夠在大范圍內(nèi)，以高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，為反映真實效果和測繪級精度提供保證；同時，有效提升建筑模型的生產(chǎn)與設(shè)計效率，為我們的生活提供便捷。