基于無人機(jī)傾斜攝影的智慧校園三維建模應(yīng)用研究

王 倩，劉 攀

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)的出現(xiàn)，以3S技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)為代表的地理信息技術(shù)也迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，全球進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)時(shí)代”[1]?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的完善也給城市管理帶來了巨大的變革，完成了“數(shù)字城市”向“智慧城市”的轉(zhuǎn)變，給人們的日常生活帶來了極大的便利。以無人機(jī)為代表的攝影測量成果也使得人們不再滿足于使用二維平面數(shù)據(jù)，而是對空間地理數(shù)據(jù)可視化、完整性地表達(dá)提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的無人機(jī)航空攝影測量往往只能得到正攝投影圖（DOM），再通過CAD、3Dmax人工建模，這種方式在工作周期、成本、空間表達(dá)上和可視化程度上都有諸多局限。利用傾斜攝影測量可以得到不同角度的空間地理信息數(shù)據(jù)并以DOM、DLG等多種格式輸出，同時(shí)采集時(shí)間短、工作效率高。后期可采用精細(xì)化三維模型對真實(shí)三維空間實(shí)體場景位置進(jìn)行可視化表達(dá)。精細(xì)化實(shí)景三維模型在真實(shí)表達(dá)出地理實(shí)體位置、性狀和表面紋理等方面具有優(yōu)勢，采用無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集，并使用實(shí)景三維模型后期處理的方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)[2]建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害、旅游和安全管理等領(lǐng)域。實(shí)景三維建模將是攝影測量學(xué)發(fā)展的新趨勢，其成果在智慧園區(qū)中進(jìn)行應(yīng)用也是領(lǐng)域當(dāng)前研究的熱門話題之一。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于建模方法方面，根據(jù)模型的精細(xì)化程度及原始數(shù)據(jù)來源的不同，三維模型構(gòu)建方法大致可分為：基于二維矢量數(shù)據(jù)、基于激光雷達(dá)技術(shù)和基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維模型構(gòu)建。

（1）基于二維矢量數(shù)據(jù)方面，其方法基于二維地圖進(jìn)行拉伸[3]，效果失真且工作量大，和激光雷達(dá)與傾斜攝影相比不具備優(yōu)勢。

（2）基于激光雷達(dá)方面，已經(jīng)形成很多成果，應(yīng)用于三維景觀[4]、公路勘測設(shè)計(jì)[5]和城市三維建模[6]中。表面缺乏紋理信息，立體感效果有局限。

（3）傾斜攝影測量技術(shù)方面，利用無人機(jī)傾斜角度獲取具有重疊的影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)影像的空間位置姿態(tài)，從而建立空間地理實(shí)體的三維模型。作業(yè)方式簡單、效率高及適合大范圍區(qū)域建模。精細(xì)化三維實(shí)景模型在城市建設(shè)中被廣泛采用[7-10]。

2 傾斜攝影測量

攝影測量學(xué)是利用航攝儀拍攝的影像，通過像點(diǎn)與地面點(diǎn)之間的關(guān)系確定地位的三維坐標(biāo)。通過影像的幾何信息進(jìn)行模型重建，從而確定相應(yīng)地位點(diǎn)的位置，如圖1所示。

圖1 攝影測量原理

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)近年來發(fā)展迅速。其原理如圖2所示，其通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多視角航攝儀，目前最常用的是五鏡頭攝像機(jī)，可以同時(shí)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共5個(gè)不同視角來同步采集影像[11]，采集同時(shí)可以記錄航高、坐標(biāo)參數(shù)，可以獲取不同角度的建筑物紋理。對比傳統(tǒng)的正射投影圖只能獲取1個(gè)方向的平面數(shù)據(jù)，多角度的拍攝更具有立體感，為之后的三維實(shí)景建模提供了豐富的數(shù)據(jù)。

圖2 傾斜攝影測量

3 數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)傾斜攝影測量原理如圖3所示，無人機(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)流程如圖4所示，包括測區(qū)勘察、無人機(jī)及相機(jī)選取、像控點(diǎn)布設(shè)、像控點(diǎn)測量、航測任務(wù)設(shè)計(jì)和傾斜影像數(shù)據(jù)獲取等步驟。

圖3 傾斜攝影測量原理

圖4 無人機(jī)傾斜影像獲取流程

3.1 測區(qū)概況

以甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州校園內(nèi)部為實(shí)測建模區(qū)。學(xué)院位于蘭州市七里河區(qū)晏家坪街道。學(xué)院占地面積312畝（1畝約等于667 m2），建筑面積18.2萬m2。測區(qū)地物主要包括道路、教學(xué)樓、宿舍樓和體育館等建筑物，以及操場等，地勢相對平坦，飛行難度低。

3.2 無人機(jī)及相機(jī)參數(shù)

使用大疆精靈4為飛行設(shè)備如圖5所示，飛行參數(shù)見表1，相機(jī)參數(shù)見表2。

表1 飛行參數(shù)

表2 相機(jī)參數(shù)

圖5 大疆精靈4

3.3 航線任務(wù)書設(shè)計(jì)

（1）首先應(yīng)明確任務(wù)需求，包括數(shù)據(jù)成果精度、參數(shù)等要求，并向當(dāng)?shù)乜沼蚬芾聿块T完成空域申請。

（2）通過地形圖及現(xiàn)場踏勘，獲取測區(qū)基本數(shù)據(jù)，包括面積、海拔和高差。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行無人機(jī)及相機(jī)選取、像控點(diǎn)布設(shè)和航線設(shè)計(jì)。

（3）像控點(diǎn)的布設(shè)一般采用均勻布設(shè)的方式，布設(shè)距離與攝影基線長度及個(gè)數(shù)有關(guān)，具體關(guān)系見表3。

表3 像控點(diǎn)布設(shè)距離與攝影基線的關(guān)系

可知相機(jī)像元尺寸為0.012 mm，比例尺為1∶500，相機(jī)焦距設(shè)置為35 mm，計(jì)算航行高度，根據(jù)地面分辨率GSD公式可得

式中：f為相機(jī)焦距；GSD為影像地面采樣距離，即每毫米所能辨別的黑白相隔的線對數(shù)，線對/mm；a為像元大小。

則飛行高度為H=175 m。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)建筑分布密集度不高，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定和大疆精靈4航攝設(shè)備精度要求，航向重疊度設(shè)置為60%，旁向重疊度設(shè)置為50%。

4 三維建模

無人機(jī)傾斜影像獲取技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 無人機(jī)傾斜影像獲取技術(shù)流程

無人機(jī)傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)處理過程就是首先將外業(yè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過篩選不合格數(shù)據(jù)，以及對圖片勻色光預(yù)處理，將下一步處理的圖片篩選出來。按照設(shè)計(jì)航線獲取的具有一定航向和旁向重疊度的影像數(shù)據(jù)，恢復(fù)影像間的立體關(guān)系以構(gòu)建實(shí)景三維模型。包括畸變校正等預(yù)處理、多視影像密集匹配、聯(lián)合平差及紋理映射等。

采用軟件Context Capture處理外業(yè)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)影像，導(dǎo)入遙感影像，進(jìn)行三維模型重建。后期可以使用Dp Modeler進(jìn)行三維模型優(yōu)化，表面紋理、填補(bǔ)凹陷和角度扭轉(zhuǎn)。完成后試驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維建模效果如圖7所示。效果逼真，達(dá)到智慧校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 無人機(jī)試驗(yàn)區(qū)三維建模效果圖

5 結(jié)束語

使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，通過Context Capture進(jìn)行三維實(shí)景建模，其成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)等建設(shè)中，三維實(shí)景精細(xì)化建模成果以其可媲美真實(shí)的模型造型，將成為未來攝影測量與遙感的熱點(diǎn)。