空地一體化實(shí)景三維建模在智慧校園中的應(yīng)用研究

王 倩，劉 攀，楊景祺

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050；2.哈爾濱市第三中學(xué)校（南崗校區(qū)），哈爾濱 150001）

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等信息技術(shù)的發(fā)展，3S技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)迎來了高速增長，地理信息技術(shù)行業(yè)進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)時(shí)代”[1]。并以豐富的地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立和完善了地理信息系統(tǒng)。地理信息數(shù)據(jù)的完善為“智慧城市”的建立打下了良好的基礎(chǔ)，為人們的生活帶來了巨大的便利。作為“智慧城市”在教育領(lǐng)域中的一部分，“智慧校園”建設(shè)也受到極大的關(guān)注。國家先后發(fā)表了相關(guān)規(guī)范，鼓勵(lì)以真實(shí)校園為藍(lán)本，融合計(jì)算機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、GIS和測繪生產(chǎn)技術(shù)等構(gòu)建以“智慧校園”為主題的三維實(shí)景精細(xì)化模型，加快和完成“智慧城市”的建設(shè)。

作為獲取數(shù)據(jù)的主要方法，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展日新月異。傾斜攝影測量多鏡頭、多角度的數(shù)據(jù)可以完成遮擋、困難地勢的地面數(shù)據(jù)采集，并以DEM、DOM及DLG等形式輸出，相比傳統(tǒng)的無人機(jī)航空攝影測量單鏡頭、垂直角度獲取DOM，傾斜攝影測量具有范圍大、周期短和效率高等優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)處理上，傳統(tǒng)的三維建模表面紋理經(jīng)過拉伸后也呈現(xiàn)出凹凸不平、破洞等瑕疵，精細(xì)化、真實(shí)程度不夠。通過近地面數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)空地一體化多源數(shù)據(jù)融合建模，可極大地提升模型精細(xì)化程度與建模效率。空地一體化建模方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智慧城市、智慧園區(qū)[2]建設(shè)、地理國情監(jiān)測、土地規(guī)劃和防震救災(zāi)等領(lǐng)域，將是攝影測量技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也是當(dāng)前實(shí)景三維建模研究領(lǐng)域的熱門話題之一。

1 研究現(xiàn)狀

關(guān)于三維建模方法，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：空中三維建模、近景三維建模和空地一體化三維建模。

（1）空中攝影測量三維建模：利用無人機(jī)傾斜攝影測量獲取多角度具備一定影像重疊度的數(shù)據(jù)，恢復(fù)影像空間姿態(tài)，再利用Context Capture軟件建立空間地理信息三維實(shí)景模型[2-3]。改變了傳統(tǒng)無人機(jī)攝影測量只從一個(gè)垂直角度獲取數(shù)據(jù)并以DOM輸出的形式。作業(yè)效率高、速度快。其成果廣泛應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)、智慧城市等建設(shè)中[4-6]。

（2）近景攝影測量三維建模：近景攝影測量技術(shù)是指對距離較近的目標(biāo)物進(jìn)行攝影，再通過對獲取的圖像進(jìn)行一系列處理從而還原目標(biāo)物體的形狀、大小及位置[7]。近景攝影技術(shù)建模已經(jīng)形成很多成果，應(yīng)用于古建修復(fù)、三維景觀和公路勘測設(shè)計(jì)[6]中。更適合局部精細(xì)化，在大規(guī)模城市建設(shè)中比較少。

（3）空地一體化三維建模：空地一體化建模是利用無人機(jī)平臺搭載傾斜攝影相機(jī)、激光掃描儀等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[8]。其特點(diǎn)是融合多源數(shù)據(jù)，速度快、效率高[9]，被廣泛用于大范圍城市三維模型的快速重建中[10]。

以上各種方法都各有弊端，空中攝影測量精細(xì)化程度不夠，近景攝影測量不適用大范圍區(qū)域，三維激光掃描快速、信息量大但不適合局部掃描。因此依據(jù)不同數(shù)據(jù)源，將空地?cái)?shù)據(jù)源融合，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，是目前建模方法最具優(yōu)勢的一種。

2 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量學(xué)是通過同一航攝儀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)，獲取不同視角下的建筑物表面。相比二維的正射投影圖，更具有立體感。

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1所示，其通過在同一飛行平臺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[12]，同時(shí)還可以自動(dòng)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一個(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1 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量系統(tǒng)由飛行系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中飛行平臺主要是小型直升機(jī)或者無人機(jī)；作業(yè)人員主要包括專業(yè)飛行及地面監(jiān)測人員等[12]。

圖2 傾斜攝影系統(tǒng)組成

3 數(shù)據(jù)獲取

無人機(jī)傾斜攝影測量的技術(shù)流程如圖3、圖4所示，包括野外勘察、空域申請、方案設(shè)計(jì)和航攝準(zhǔn)備，數(shù)據(jù)采集、整理與提交幾個(gè)流程。

圖3 數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程圖

圖4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

以甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘭州校園為實(shí)驗(yàn)建模區(qū)。地址位于蘭州市七里河區(qū)晏家坪街道。占地面積312畝（1畝約等于667 m2），建筑面積18.2萬m2。測區(qū)地勢平坦，主要包括體育館、教學(xué)樓等建筑物。

相機(jī)像元尺寸為0.012 mm，比例尺為1∶500，相機(jī)焦距35 mm，計(jì)算航行高度，根據(jù)公式可得

飛行高度為H=175 m。根據(jù)GH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》規(guī)定和精靈4航攝設(shè)備精度要求，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為75%。

傾斜攝影方面利用大疆無人機(jī)M400搭載睿鉑5鏡頭進(jìn)行航攝，設(shè)置4條航帶，獲取影像852張。

地面近景影像使用精靈4RTK無人機(jī)手動(dòng)飛行拍攝，以近地面5 m、15 m、20 m 3個(gè)高度進(jìn)行航攝設(shè)計(jì)，并以單反相機(jī)協(xié)助拍攝。使用南方RTK定位。設(shè)置影像重疊度保證拍攝質(zhì)量。共獲取845張影像。鑒于不同數(shù)據(jù)源影像分辨率差異性，以過度高度設(shè)計(jì)二次飛行來加大重疊度。

使用空中三角與控制點(diǎn)聯(lián)合平差，使不同數(shù)據(jù)源電源密度一致，空間坐標(biāo)參考系一致。

4 三維建模及精度評定

采用軟件Context Capture分別處理傾斜攝影影像和近景攝影影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入遙感影像，進(jìn)行三維模型重建。獲取兩者初始位置。再將兩者影像合并、刺點(diǎn)，獲得不同數(shù)據(jù)源的混合點(diǎn)云，構(gòu)建實(shí)景化三維模型。如圖5所示。后期可以使用Dp Modeler進(jìn)行三維模型優(yōu)化，相對單一數(shù)據(jù)源，空地一體化建模效果更為逼真，達(dá)到“智慧校園”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 無人機(jī)試驗(yàn)區(qū)三維建模效果圖

最后進(jìn)行精度評價(jià)與檢驗(yàn)，選取實(shí)驗(yàn)區(qū)10個(gè)檢查點(diǎn)，并量測其坐標(biāo)，同時(shí)在三維模型上這些檢查點(diǎn)對應(yīng)位置的坐標(biāo)，然后計(jì)算檢查點(diǎn)坐標(biāo)中誤差，進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，精度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算X和Y方向的中誤差

綜上所述，點(diǎn)位中誤差3.23 cm，空地一體化建模精度滿足大比例尺地形圖測繪及工程建設(shè)的需要。

5 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，使用軟件Context Capture進(jìn)行三維實(shí)景建模，并使用空地一體多源數(shù)據(jù)融合建模的方式提升模型效果與精細(xì)化程度，將成為未來三維實(shí)景建模的主要發(fā)展趨勢。