基于无人机倾斜摄影技术的城市三维实景建模研究_王耀.pdf

基基于于无无人人机机倾倾斜斜摄摄影影技技术术的的城城市市三三维维实实景景建建模模研研究究王耀（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州）摘 要传统城市三维建模工作存在周期长、效率低等问题，已无法满足数字城市、智慧城市的发展需求。随着近年来无人机倾斜摄影技术的发展，国内许多城市采用无人机倾斜摄影技术实现城市三维实景模型的建设。以此为出发点，对城市小场景、重点区域，利用消费级无人机进行三维实景建模工作，详细阐述了该方法的技术路线、关键点及精度评价等内容，为相关工程提供技术参考。关键词倾斜摄影；消费级无人机；三维建模；精度评价中图分类号 文献标志码 文章编号（）传统城市三维建模工作需要利用航空影像获取城市各类地物的体框以及顶部信息，结合外业人工拍照和内业人工模型处理，导致三维建模周期长、效率低、更新慢、数据体量大、人工成本极高等问题，限制了三维模型在城市规划、管理和建设等方面的应用。随着倾斜摄影技术的快速发展，一种利用低空无人机作为倾斜摄影载体，进行城市三维实景建模的方法成为当前城市三维模型发展的一个重要方向。这种方法能快速构建三维模型，同时还具有操作方便、成本低、数据处理周期短等特点。本文在分析不同类型无人机的优缺点的基础上，选择较为实用的消费级无人机进行城市小场景、重点区域的三维实景模型建模工作，阐述了该方法进行三维实景建模的技术路线、建模关键点以及对模型成果进行精度评价等内容，为其他城市开展此项工作提供参考依据。常用的无人机类型对比无人机类型按照旋翼进行划分，主要包括四大类：固定旋翼、直升机、多旋翼以及四旋翼。本文通过对常用类型无人机特点分析后，发现对城市进行大场景、大规模进行三维建模时，通常采用固定翼无人机进行倾斜摄影测量，这种方法具有载重量高、测量范围大、飞行高度高速度快以及续航长等优点，但同时也存在操作困难、成本高等缺点。对城市进行小场景、重点区域进行三维建模时，通常采用多旋翼或四旋翼无人机进行倾斜摄影测量，这种方法具有飞行区域小、速度低、状态稳定、简单操作以及成本低等优点。本文采用的消费级无人机则属于四旋翼无人机的一种。技术路线基于消费机无人机倾斜摄影的城市三维实景建模的技术路线主要包括三方面内容：项目准备工作、数据获取和处理、城市三维实景模型建模。技术路线如图 所示。项目准备工作该项工作是城市三维实景模型建模的基础，主要是对研究区域、消费级无人机倾斜摄影资料的收集、整理，包括编写文档、准备航飞以及勘察现场三部分内容，如航拍方案设计、设置航飞高度、研究区情况分析、现场像控点布设等。收稿日期作者简介王耀，男，助教，博士研究生，从事三维重建、地物提取研究。数据获取和处理该项工作包括三方面内容，一是利用无人机进行航飞获取 数据、原始影像数据。二是对获取的影像数据进行质量检查，确保符合规范要求，如影像是否缺失、色彩是否均匀等。三是利用像控点和检查点对数据精度进行检查，为后期三维建模提供数据支持。城市三维实景模型建模该项工作包括四方面内容，一是对数据进行三维测量。二是利用软件自动进行三维实景模型建模操作，主要包括多视角影像密集匹配、三维 格网构建以及自动纹理映射等。三是对形成的三维实景模型进行修饰，如区域漏空、变形等，同时利用点位测量信息对模型进行质量检查。四是模型修饰完毕和质量检查合格后，形成城市三维实景模型最终成果。图 技术路线设计 建模关键点 数据采集 硬件选定本文结合四旋翼无人机特点，选用国产大疆的精灵 消费级无人机，其具有操作灵活、成本低以及实时性等优点，能够满足研究区城市三维实景建模的需求。大疆精灵 消费级无人机主要包括飞机遥控器、照相机、飞行器以及安装操控软件的电脑。检查点和像控点布设研究区域检查点和像控点的布设工作是无人机航飞前的一项重要基础性工作，根据低空数字航空摄影测量外业规范的要求，应在研究区域范围内均匀布设检查点和像控点，当出现凸凹角转折区域时，也应布设。检查点和像控点在路面上、地面标志线角点上用红白漆绘制 型地标。相机标定影响城市三维实景建模精度的重要因素之一是相机标定精度的高低。大疆精灵 搭载的相机无法提供畸变参数以及内方位元素，容易导致相机不能标定，从而影响无人机采集信息的精度。本文采用张正友标定法对相机进行严格标定，快速获取相机的内外参数和各畸变参数，从而保证数据的准确率。单镜头系统的多视倾斜摄影影像拍摄大疆精灵 无人机上只搭载一个镜头，为了实现倾斜摄影技术的五镜头效果，需利用软件控制相机云台，从左、右、前、后、垂直五个方向对地物数据进行采集。市面上常用的软件包括、和 等，本文根据实际情况，采用 软件。利用 软件调整无人机相机的云台角度，模拟五镜头摄影方式，从而实现单镜头系统的多视倾斜摄影影像拍摄。单镜头系统多视倾斜摄影影像拍摄流程如图 所示。图 单镜头系统的多视倾斜摄影影像拍摄流程 城市三维实景模型建模 影像数据预处理本文利用大疆精灵 无人机获取影像数据后，需对影像数据进行预处理，主要包括以下四方面内容。一是确保 数据、影像数据一一对应和无遗漏。二是确保获取的影像数据清晰且无遮挡。三是确保获取的影像数据经过匀光匀色处理，色调均匀。四是确保影像通过质量检查后，相应的记录数据文件、检查数据文件准确、齐全。空间三角测量空间三角测量是影像数据处理的核心，处理流程分为五部分。一是进行垂直影像、倾斜影像的连接点匹配。二是利用多像密集匹配技术进行特征点的同名点匹配。三是利用像控点坐标，建立自由网，然后采用光束法区域网方法进行平差。四是根据平差结果不断调整参数，从而确保空三加密成果符合规范要求。五是形成空三加密成果报告。三维实景模型建模本文采用大疆智图建模软件实现三维实景模型的制作。大疆智图是一套无需人工干预的三维建模软件，能够自动实现区域整体平差、多视角影像密集匹配、三维 网格构建、创建白体三维模型、自动纹理映射以及生成三维模型。三维实景模型建模流程设计图如图 所示。图 三维实景模型建模流程设计 研究区分析本文选取徐州市区面积约 的范围作为研究区域。研究区域包括房屋、道路、绿地等地物，海拔高度平均 ，地势平缓。首先，对研究区进行数据采集和处理工作。研究区域划分为 个区，选择晴天 进行航飞，获取影像数据。航飞高度为 ，航向重叠度为，旁向重叠度为，采集影像数据的分辨率高于 。研究区总计飞行 次，飞行面积 ，获取像片 张，大小约 。其次，采用大疆智图建模软件对研究区进行三维实景模型建模工作。三维实景模型如图 所示。最后，对制作的三维实景模型进行三维模型精度判定。三维模型几何精度评定结果如表 所示。通过表 可以得出，利用消费级无人机构建的三维实景模型 坐标，坐标误差分布均匀，误差值小于 ；高程 值误差没有明显规律，误差值小于 ，三维实景模型的平面精度高于高程精度，且与实测数据误差较小，能够反映真实的地物位置。图 三维实景模型图表 三维模型几何精度评定结果点号实测点三维模型点误差值 注：代表隐藏的坐标值。结语本文针对城市小场景、重点区域利用消费级无人机进行城市三维实景建模研究，详细介绍了消费级无人机进行城市三维实景建模的技术路线，并阐述了建设过程的数据采集、三维建模的关键点，如，硬件选定、检查点和像控点布设、相机标定、单镜头系统的多视倾斜影像拍摄以及大疆智图建模软件进行三维实景模型的制作等，并以徐州市某一区域为研究区域进行实验，通过对构建的三维实景模型精度的验证，检验了整个研究方法的可行性。参考文献李安福，曾政祥，吴晓明浅析国内倾斜摄影技术的发展测绘与空间地理信息，（）：周晓敏，孟晓林，张雪萍，等倾斜摄影测量的城市真三维模型构建方法测绘科学，（）：刘龙威，徐洪飞，魏瑄基于消费级无人机的小范围高精度倾斜摄影测量测绘技术装备，（）：曹海春消费型倾斜无人机在城镇三维重建方面的应用北京测绘，（）：裴慧坤，姜三，林国安，等 依托无人机倾斜摄影的电力走廊三维重建测绘科学，（）：王柳，黄鹤，李若鹏，等消费级无人机倾斜影像采集关键技术研究测绘通报，（）：徐建国消费级无人机倾斜摄影系统在农村房地一体不动产测绘中的应用资源信息与工程，（）：王丙涛，王继基于倾斜摄影技术的三维建模生产与质量分析城市勘测，（）：徐志豪消费级无人机倾斜摄影三维建模可行性研究北京测绘，（）：吴献文，张鹏，曾琳基于消费级无人机倾斜影像的三维测图技术探讨测绘通报，（）：（，）：，：；（责任编辑：王桂君）（上接第 页）（，）：，：；（责任编辑：王桂君）