基于无人机影像的三维模型构建技术

李隆方，张著豪，邓晓丽，马 磊

（1.德阳市勘察测绘设计院，四川 德阳 618000；2.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210093）

随着城市社会经济发展，传统二维数据已不能满足各部门日常工作需要，迫切需要更为全面的城市三维数据［1］。三维数据可视化已成为当今城市基础建设、规划、环境保护、交通和通讯等方面的重要环节，是当前数字城市的重要表现手段［2］，也是当今智慧城市发展的重要基础数据设施。由于四川盆地常年多云多雨，导致大部分卫星影像被雨云遮挡，无法准确观测特定时期的特定地区，而无人机低空遥感系统具有很高的机动性、灵活性和安全性，可获取多角度、高分辨率影像，不受高度限制和阴云天气影响，且系统成本及影像处理费用较低［3］。

本文以四川德阳市为例，针对当前城市三维模型构建中的问题，提出了一种基于无人机影像的快速三维模型构建技术，并应用于德阳市三维模型构建。

1 3DCM的研究现状

3DCM（三维城市模型）作为当前城市空间数据基础设施的重要内容，是一项投资巨大、技术要求复杂的工程，其技术水平是影响三维城市模型建设与更新工作效率的重要制约因素。如何提高三维城市模型数据获取的自动化水平成为三维城市模型应用的瓶颈问题［4］。当前三维城市模型的数据源主要有遥感影像数据、近景数据和GIS导出数据。不同数据对应不同的三维城市建模方法，主要包括：

1）基于二维GIS的三维城市建模方法。通过现有GIS成果库，利用地形数据内插DEM，以及丰富的地物要素快速从二维城市GIS数据转换到三维城市模型［5］。

2）基于激光扫描的三维城市建模方法。这种方法主要通过机载激光雷达采集地面点坐标，通过数据后处理分离地面点与地物点重构地面三维模型，优点在于不用采集过多控制点，高程精度较高，但对地面纹理获取不足。

3）基于摄影测量的三维城市建模方法，它使得同时获取大量复杂的三维城市模型的几何信息和纹理信息的自动化成为可能，特别随着近年来高分辨率遥感技术和计算机图形图像处理技术的发展，数字摄影测量被普遍认为是当前最适用于获取大范围高精度三维城市模型数据的主要手段［6］。目前，基于卫星和航空影像数据，利用传统全数字摄影测量系统（LPS、VirtuoZo等）的城市建模技术已经成熟，本文基于此思路，针对无人机影像数据提出了一套基于低空影像数据的城市三维模型的构建方法。

2 无人机数据采集与处理

2.1 低空影像采集设计方案

1）德阳市是中国重大技术装备制造业基地，位于四川盆地成都平原东北边缘，研究区域包括市区全域以及近郊部分区域近400km2范围，其中1/3为丘陵，2/3为平原。基于无人机低空影像采集平台（见图1），搭载Canon EOS 5DMark II相机，设计航高750m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，相机焦距24.598 8mm，单张影像像素数5 616×3 744，像素尺寸0.006 4mm×0.006 4mm。

图1 无人机数据采集平台

2）控制点采集。根据经验，无人机控制点布设原则一般以航带内5张影像间隔一个控制点为宜，航带间需隔一条航带布设一个控制点，并在其中均匀布设检查点，如图2所示。像控点应选取影像位置清晰、易于判别，与周围地物颜色反差较大，特征明显的地物点，选点均以地面、较坚固、且不易改变的目标为主。

图2 部分测区控制点布设示例

2.2 影像处理

相对传统大飞机影像数据采集平台，无人机平台飞行姿态更加不平稳，受风速、风向等影响更大，传统数字摄影测量系统处理无人机影像数据的限制较多，为了提高数据处理速度与精度，选择DPGRID低空影像数据处理平台作为该项目的数字高程模型与数字正摄影像生产平台。该平台采用改进的影像匹配算法，实现自动空三、DEM与正射影像自动生成，自动化程度大大提高。主要处理飞艇、无人直升机、无人固定翼飞机等低空遥感平台获取的低空遥感影像。其主要处理流程如图3所示。

图3 无人机影像数据处理流程

根据以上流程，首先通过POS数据选取航带内影像，剔除非航带内影像（无人机上升过程中拍摄的影像），利用DPGRID低空模块对影像数据进行畸变纠正、排列航带、旋转影像等，使得影像数据按顺序排列；随后基于该模块进行影像自动匹配、提取特征点；添加外业采集的控制点，进行空三加密，反复平差，直到达到无人机内业精度要求为止［7］。最后进行匀光匀色、影像镶嵌等后处理，生成DEM和DOM。特别是，无人机影像飞行高度低，受地形起伏影响明显。在城区，一般房高都在6层以上，且随着城市发展，高层建筑（一般20层以上）不断增加，这种影响越加严重。对于飞行高度750m（甚至更低）的无人机影像，直接生产的城区DEM是不准确的，不能正确反映地面高程，故需大量的DEM编辑工作，如图4所示。

图4 DEM与DOM编辑

3 城市三维模型构建

图5展示了通过摄影测量同时获取的DEM和DOM构建三维模型和采用地形数据内插DEM与摄影测量生产的DOM叠合构建三维模型，并与相关专题数据合成的技术流程。在德阳市城区三维建模实际生产过程中，由于拥有较完善数字德阳地形成果数据，故首先考虑利用地形数据内插DEM，与无人机DOM叠合构建三维地形模型，但是二者坐标系并不统一（前者为西安80坐标系，后者为德阳地方坐标系），坐标匹配较困难。

图5 基于无人机影像的城市三维集成技术流程

在DOM生产过程中，首先需要生产DEM，二者坐标系统一，所以采用摄影测量获取的DEM与DOM构建城市三维模型是较快捷的方法。

这里，我们选择Skyline TerraSuit来搭建和展示整个三维场景。它具有灵活、简便的建模工具，稳定的软件功能以及组件化的软件体系，是独立于硬件之外，多平台、多功能的一套软件系统。它包含3类产品：TerraBuilder，创建三维地形数据库；TerraExplorer Pro，添加场景；TerraGate，允许用户通过网络发布三维数据［8－9］。步骤如下：

1）三维地表模型构建。三维地表模型主要包括DEM和DOM，通过在TerraBuilder中叠合DEM与DOM，并生成Skyline自带的三维数据格式（mpt），它支持三维数据的无级缩放，能够高效地展示三维数据模型。如图6所示。

图6 基于Skyline的三维模型成果示例

2）三维建筑物模型建立。这里有两种选择，一是通过建模软件（3DMAX、SketchUp）逐个构建地上建筑物模型，然后分批在TerraExplorer Pro平台中导入建成建筑物模型。另一种即根据影像数据，在VirtuoZo平台下通过立体测图人工测绘地上建筑物，并导出模型，最终导入TerraExplorer Pro平台。前者多用于地上建筑物等的精细建模，例如城市地标建筑物，但是它的成本较高，不利于批量生产；后者适用于快速批量生产，且模型精度较高，但是对于建筑物的纹理表现不如后者清晰。对于德阳市三维模型构建，选择两者结合的方式，部分精细建模，批量生产城市地上建筑物模型，搭建城市三维模型。

图7、图8展示了利用VirtuoZoNT3.75批量生产建筑物矢量图形，并在此基础上批量生产城市建筑物三维模型的过程。其基本原理为，批量采集屋顶高程并生成建筑物顶矢量图形，计算其与DEM的高程差，从而生成建筑物的立体模型，并采集影像上该建筑物的侧面纹理进行侧面贴图。

图7 建筑物矢量图

图8 建筑物三维图

3）集成专题数据。通过TerraExplorer Pro平台不仅可以高速浏览海量MPT格式的三维数据（见图9），也可以在城市三维模型上叠加相关专题矢量数据，例如，加载城市规划道路红线，用于城市拆迁分析；添加规划方案，对比方案与周边地物是否协调；构建城市地下三维管网，立体展示城市地下状态。

图9 三维模型集成展示

4）三维集成与发布。为了有效并安全地利用三维数据，搭建分布式的数据集成环境是必要的，其关键技术是三维数据的共享。Terrabuilder提供了海量三维数据的发布环境，其基本原理如图10所示。

图10 三维模型发布流程

4 DEM误差分析

为研究无人机影像生成的DEM的可用性，这里截取全区域中丘陵区域18km2的无人机DEM与通过地形图生成的DEM作对比分析，其网格数为801×1201，其中无人机DEM高程范围为478～654m，如图11（b）所示；地形图生成的参照DEM高程范围为481～653m，如图11（a）所示。首先将两幅tif格式的DEM栅格数据输出为txt格式文件，基于Matlab7.0实现两者对应像元高程差值分析，生成一幅高程差值图，其最小差值为－17.2m，最大差值为16m，均值为1.6341m，标准差为2.815 4m，如图11（c）所示。浅色区域高程值大，深色区域高程值小。其统计直方图如图11（d）所示。

图11 DEM差值统计

5 结 论

1）利用0.2m无人机高分辨率影像数据，基于DPGRID低空模块生产德阳市400km2DOM与DEM，采用Skyline平台集成DOM与DEM，获取了该区域地表三维模型。为基于无人机快速建立三维地表模型积累宝贵经验。

2）在VirtuoZoNT3.75和Dibud平台支持下，基于多张倾斜摄影的无人机影像自动提取建筑物表面纹理，从而避免大量的实地考察工作量，降低工作强度，提高作业效率，更重要的是实现建筑物三维重建的真实纹理。

3）分析典型丘陵地区，比较无人机生产的DEM和参考DEM的误差情况，为读者利用无人机DEM建立三维地表模型提供可靠性参考。

［1］罗敏.基于VrMap与Sketch up的城市三维模型构建［J］.福州大学学报：自然科学版，2009，37（3）：353－356.

［2］史文中，曹辉，张剑清.基于高分辨率影像的城市三维建模［J］.武汉大学学报：信息科学版，2004，29（9）：783－787.

［3］何磊，苗放，唐姝娅，等.无人机遥感图像及其三维可视化在汶川地震救灾中的应用［J］.物探化探计算技术，2010，32（3）：206－212.

［4］朱庆，林晖.数码城市地理信息系统—虚拟城市环境中的三维城市模型初探［M］.武汉：武汉大学出版社，2004.

［5］谭仁春.三维城市模型的研究现状综述［J］.城市勘测，2007（3）：42－46.

［6］Brenner C，Haala N.Automated Reconstruction of 3D City Models［J］.In 3DSynthetic Environment Reconstruction（Edited by：Abdelguerfi M.），KluwerAcademic Publishers Norwell，2001：75－101.

［7］中测（北京）遥感技术有限责任公司.CH/Z＿3003－2010，低空数字航空摄影测量内业规范［S］.北京：测绘出版社，2010.

［8］唐桢，张新长，曹凯滨.基于Skyline的三维技术在城市规划中的应用研究［J］.测绘通报，2010（5）：10－12.

［9］邓洁，夏春林，王润芳.基于Skyline Terrasuite的城市三维景观的建立［J］.遥感技术与应用，2008，23（5）：529－532.

［10］雷添杰，李长春，何孝莹.无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用［J］.自然灾害学报，2011，20（1）：178－183