針對附有玻璃幕墻類建筑的無人機傾斜攝影建模方法優(yōu)化研究

［摘要］闡述了實景三維中國建設工作背景，并針對當前附有玻璃幕墻類建筑建模分析了傳統(tǒng)無人機傾斜攝影建模優(yōu)缺點，并提出了采用分層航攝、貼近立體環(huán)繞補拍、采用偏振鏡片等優(yōu)化方式方法，為實際附有剝離幕墻類建筑的實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了詳細應用指導。

［關鍵詞］實景三維；附有玻璃幕墻類建筑；無人機傾斜攝影；建模方法；優(yōu)化研究

2022年2月，自然資源部印發(fā)《自然資源部辦公廳關于全面推進實景三維中國建設的通知》，對實景三維建設目標做了分步細化，指明了具體量化要求，標志著實景三維中國建設工作在全國范圍內(nèi)正式開啟。

隨著實景三維建設任務的不斷推進，各種建模技術日益成熟，但是對于附有玻璃幕墻這種現(xiàn)代城市高層外圍護建筑，利用無人機對玻璃幕墻進行傾斜攝影時，由于玻璃材料的透光和反光特性，影像受光照、天氣、環(huán)境等因素的影響較大，傳統(tǒng)的建模方法經(jīng)常會導致無人機拍攝的影像會出現(xiàn)光照不均勻、圖像失真、扭曲等現(xiàn)象，還會造成相鄰影像間的特征識別和匹配失敗，進而導致影像建模失敗現(xiàn)象發(fā)生。

1 傳統(tǒng)無人機傾斜攝影建模方法分析

1.1 建模方法

無人機傾斜攝影技術是在無人機上同時搭載五鏡頭相機，從垂直、傾斜等多角度采集影像數(shù)據(jù)，在高精度POS系統(tǒng)的輔助下，獲取準確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息。其中四臺相機傾斜角度在40°～60°之間，從前后左右4個方向同時獲取地物的側(cè)視影像，彌補了傳統(tǒng)垂直航攝只能獲取地物頂面紋理的不足[1]。

1.2 優(yōu)缺點分析優(yōu)點：

（1）自動化程度高、建設周期短：隨著無人機技術及自動化后處理軟件的日益成熟，通過較少的人工干預，即可完成全自動化紋理映射和三維模型構建，滿足大批量快速生產(chǎn)的需求。

（2）高分辨率、場景逼真：采用低空飛行可獲取厘米級高分辨率影像；通過影像構建的真實三維場景，更加精細地表達地物的外觀、空間位置、高度、紋理等細節(jié)特征，彌補了傳統(tǒng)人工建模在數(shù)據(jù)精度上存在的缺陷[2]。

（3）生產(chǎn)成本低：外業(yè)航測和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理均不需要大量的人力投入，在不考慮模型修飾的情況下，內(nèi)業(yè)基本可實現(xiàn)零人工干預；另外，其生產(chǎn)設備價格普遍比激光雷達低。

（4）數(shù)據(jù)源兼容性強、易上手：無論是大型固定翼飛機、有人機、大中小型無人機，還是手持數(shù)碼相機甚至手機拍攝的影像數(shù)據(jù)，只要設置足夠的連接點，均可導入三維自動重建軟件進行建模處理，靈活方便易上手，普及程度高。

缺點：

（1）限制條件多：無人機傾斜攝影技術采用可見光進行測量，其對天氣要求較高，需在白天合適的時間段和氣象條件下才能獲取滿足技術要求的原始影像；另外，受場地的限制，該技術無法完成室內(nèi)、地下等場景的實景三維重建。

（2）模型缺陷：由于觀測角度固定，視角受限，加之遮擋等原因，無法獲取目標地物的全部信息，特別是由于玻璃材料的透光和反光特性，對玻璃幕墻類建筑建模時仍然會存在空洞、扭曲、失真、變形等現(xiàn)象[3]。

2 建模方法的優(yōu)化與應用

2.1 優(yōu)化思路

通過分析傳統(tǒng)無人機傾斜攝影建模優(yōu)缺點，為解決無人機傾斜攝影建模對玻璃幕墻類建筑建模時的模型缺陷問題，擬采用分層航攝、貼近立體環(huán)繞補拍、采用偏振鏡的方式對傳統(tǒng)的傾斜攝影建模方法并進行優(yōu)化，從而改善常規(guī)傾斜攝影測量由于觀測角度和航高固定而導致的模型缺陷問題。

2.2 采集對象

本次以西安城市發(fā)展集團大樓作為城市級傾斜三維模型質(zhì)量優(yōu)化的采集對象。該棟建筑物為獨立整體，與周圍建筑物不存在相連的情況，方便各個立面的環(huán)繞飛行；其西側(cè)鄰近市政道路，東側(cè)和南側(cè)均有33層的高層住宅樓，詳見圖1。

2.3 存在問題

大樓地上總高度（含樓頂設備間）約105 m，由于航攝條件的限制，高層建筑物傾斜模型常常存在頂部模型破損，底部及視覺盲區(qū)空洞、拉花等缺陷[3]。另外，大樓整體材質(zhì)為玻璃幕墻，弱紋理且為高反射面，同時外觀設計了規(guī)則的條狀外掛裝飾，使用常規(guī)低空傾斜攝影的方式生產(chǎn)的模型存在較大的紋理扭曲和空洞。

2.4 設備選擇

低空無人機傾斜攝影使用的航攝儀，主要由無人機飛行平臺搭載多個傾斜攝影系統(tǒng)組成。

2.4.1無人機飛行平臺

飛行平臺分為固定翼和旋翼無人機兩種。其中，旋翼無人機操作方便靈活，速度可控，不受起飛場地限制，獲取的傾斜三維模型色調(diào)較飽和且精度高，被廣泛用于城市場景內(nèi)小面積的低空高分辨率傾斜數(shù)據(jù)采集[4，5]。

本次采集對象位于城市建筑物密集區(qū)，因此選擇靈活性高、續(xù)航時間較長、避障功能強大的四旋翼無人機，其主要參數(shù)，詳見表1：

2.4.2傾斜攝影系統(tǒng)

在城市高層建筑密集區(qū)域，為了保證飛行安全，一般航高設置應高于被攝目標50 m，故本次飛行高度應不低于155 m。為了滿足精度要求，航攝分辨率設計為1.8 cm，在此飛行高度下作業(yè)，通常需選用長焦相機[5]。

同時，為了滿足立面補拍的要求，選用一款帶有三軸云臺的五鏡頭相機，在滿足智能旋轉(zhuǎn)立面補拍多角度成像的同時，可最大程度保證相機姿態(tài)，達到高質(zhì)量效果，其主要參數(shù)，詳見表2：

2.4.3采用偏振鏡片

對偏振鏡片及非偏振鏡片條件下，在不同場景中無人機航測正射影像和傾斜攝影精度進行驗證，探究其最佳成像角度，以建立無人機相機云臺立面航攝仰俯角度計算公式[6]。

2.5 采集方法

2.5.1分層航攝

根據(jù)本次采集選用的相機參數(shù)，計算相對航高為160 m。選擇大樓東北角的空地作為起飛場地，先以該航高進行低空傾斜攝影，航向和旁向重疊度分別設置為80%和70%，詳見圖2。

在完成常規(guī)航攝后，分別將航攝高度上升到180 m和200 m，對建筑物的頂部區(qū)域進行補充拍攝，重疊度設置不變，詳見圖3。

2.5.2貼近立面環(huán)繞補拍

降低航飛速度，將云臺調(diào)整為智能擺拍模式，僅使用下視單鏡頭進行立面環(huán)繞補拍。這樣，在滿足分辨率和重疊度的情況下，航拍相片數(shù)遠少于五鏡頭作業(yè)，可減輕后期數(shù)據(jù)處理的壓力。

分別對大樓各個立面進行貼近式立體環(huán)繞補拍，貼近距離盡量保持在15 m，各個立面不同航帶間保證一定的重疊度，詳見圖4。

2.5.3采用偏振鏡片

偏振鏡能夠?qū)ξ矬w表面的反射光起到消光作用，同時在無人機立面航攝時，不同航攝角度也可以消除或減少航攝影像中的鏡面效應，為航攝影像質(zhì)量的提高以及影像成圖提供更高質(zhì)量影像。

2.5.4內(nèi)業(yè)進行三維重建

將低空傾斜攝影和貼近環(huán)繞補拍的影像整理好共同導入三維建模軟件進行空中加密及自動三維重建。

2.6 模型效果對比

經(jīng)結(jié)果成像對比，該大樓傾斜三維模型質(zhì)量得到較大的優(yōu)化。

（1）通過上升航高補充拍攝的方法，解決了建筑物頂部破損的問題，保證整體模型的完整性，優(yōu)化前后效果詳見圖5。

（2）通過立面環(huán)繞補拍的方法，獲取了建筑物底部和視覺盲區(qū)的影像數(shù)據(jù)，減少模型空洞、拉花，優(yōu)化前后效果詳見圖6。

（3）通過貼近式攝影測量，獲取建筑物玻璃幕墻立面毫米級分辨率的影像，使玻璃幕墻模型的紋理得到優(yōu)化，條狀外掛裝飾也清晰可見，優(yōu)化前后效果詳見圖7。

（4）通過更換偏振鏡片方法，針對附有玻璃幕墻建筑，可見其扭曲情況大大改善，進一步驗證建模后的實際效果，優(yōu)化前后效果詳見圖8。

3 結(jié)論分析

實踐證明解決無人機傾斜攝影建模對玻璃幕墻類建筑建模時的模型缺陷問題，可以采用分層航攝、貼近立體環(huán)繞補拍、采用偏振鏡的方式對傳統(tǒng)的傾斜攝影建模方法進行優(yōu)化，這樣可以最大限度地降低玻璃幕墻光線折射及反射對無人機航測攝影的影響，為傾斜攝影影像質(zhì)量的提高以及影像成圖提供更高質(zhì)量影像，從而更好地完成實景三維中國建設任務。

[參考文獻]

［1］杜永亮，呂杰. 傾斜攝影和激光雷達在某輸電工程三維建模中的應用研究［J］. 江西電力，2019，221（8）：12-20.

［2］曾雅娟. 人工建模與傾斜攝影建模技術對比研究―以昌吉市三維仿真數(shù)據(jù)庫建設為例［J］. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2017，281（6）：56-60.

［3］丁曉龍. 多源影像融合建模在改善傾斜攝影模型質(zhì)量中的應用. 海陸地理信息集成與應用微信公眾號，2022-11-25.

［4］李玉忠，馬進全，朱海麗. 無人機傾斜攝影建模技術對比研究［J］，青海大學學報，2019，37（5）：47-51.

［5］席思遠，張西童，王寧，等. 傾斜攝影設備選型及像控點布設對高精度實景三維模型重建的影響［J］. 測繪通報，2022（10）：86-92.

［6］南京市測繪勘察研究院股份有限公司. 一種附有玻璃幕墻建筑的無人機攝影測量建模方法［P］. 中國專利：202210060239.