基于消费级无人机的小范围三维实景建模探讨

黄有槽

摘要：目前，消费级无人机基本已经普及，除普通拍摄之外，还可以利用其影像采集功能，结合专业软件建立三维实景模型。本文探讨了使用的关键技术和合适参数，并进行了实际案例的验证，为以后类似的工程项目提供借鉴和参考。

关键词：消费级无人机；倾斜摄影测量；三维实景模型

1 概述

倾斜摄影技术是国际测绘领域于2012年发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从1个垂直、4个倾斜共5个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界[1]。倾斜影像技术的引进和应用，使目前高昂的三维建模成本大大降低。缩短了三维数据的制作周期，大幅提供了工作效率。

目前世界上支持多视角影像三维实景建模的软件有许多，诸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等软件，其高度自动化和智能化给建模带来极高的效率。在硬件方面也得到了国内外许多倾斜无人机的支撑，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。软件和硬件的支持给三维实景建模带来改革性的变化，推动着三维实景建模飞速发展。

一般专业的搭载五镜头的量测无人机适用于大范围的三维实景建模，但遇到小面积的或者是局部的地物要建模的情况，使用专业无人机不但体现不了高效率，成本反而高。因此本文提出一种利用消费级无人机，如大疆精灵Pro，利用专业软件进行三维重建的方案，可以灵活、高效、低成本的完成小范围地物的三维重建。

2 关键技术和参数设置

传统的消费级无人机只能搭载一颗镜头进行正射影像，从垂直角度拍摄。而专业的倾斜摄影无人机搭载多台传感器，可以同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像。这就要求使用者对消费级无人机的飞行路线和倾斜角度进行合理设置，通过多次多角度飞行，来进行数据采集。因此，对飞手的操控技术和采集技术要求比较高。

2.1无人机拍摄时应该遵循以下原则：

①无人机的图像格式有JPEG、TIF、RW2、3FR、DNG、NEF、CRW、CR2。

②在整个飞行过程中使用相同的焦距，要有恒定的照明，有限的阴影数据。

③避免模糊照片、闪光灯和光学防抖。

④不能使用数码变焦和照片手动润色。

对于简单对象的采集，有如下关注事项：

①不要反转或移动对象。

②纵向重叠度80%，横向重叠度60%。

③两张连续照片之间的拍摄夹角不超过15度。

④与对象保持相同的距离。

2.2无人机参数设置

根据拟三维实景建模对象的特点，无人机需要进行如下设置：

①精度估算

三维模型精度P=2×R（m），P=三维模型相对精度，R=对象表明呈现的像素大小。

②飞行路线规划

D=P/2×f×L/Ls，Ls=传感器长度（m），D=数码相机和对象之间的距离（m），f=数码相机的焦距（m），L=图像长度（Px），M=地面覆盖区域大小（m）

3 三维实景建模实例

本文的实际案例利用消费级无人机大疆精灵Pro，三维实景建模对象为深圳市龙岗区天安数码新城，区域面积4.8平方公里，主要建构筑物为高层建筑，最高楼110米。

外业通过大疆自带的飞控软件，选择倾斜摄影模式，设置无人机参数如下：影像传感器1/2.3英寸，CMOS有效像素1240万，镜头FOV94°20mm（35mm格式等效），f/2.8，焦点无穷远，ISO范围100～1600，电子快門速度/s8～1/8000，照片尺寸/像素4000×3000，飞行高度120，纵向重叠度80%，横向重叠度60%。因无人机电池容量限制，累积飞行了3次，耗时约3个小时，共拍摄照片494张。

内业数据处理采用专用三维建模软件完成，按照“空三计算、联合约束平差、瓦片分割、三维重建、成果输出”作业流程完成模型的建立，自动生成的三维模型，如下图所示。

经检测，基本实现了三维实景效果，可以测量高度、长度、面积和体积等。

4 结语

本文探讨了借助最先进的三维实景建模软件，利用普通消费级无人机，通过正确的关键技术和合适参数，进行了实际案例的验证，为以后类似的项目提供借鉴和参考。由于消费级无人机本人续航和拍摄设备的局限，其建模精度、测绘范围和续航能力较专业设备差距较大，只能适合小项目、工程局部地物进行三维实景建模，因此，借鉴使用前需对项目有一定的了解和定位。同时，必须使用同一款无人机和相同的参数采集的素材才能成功建模。

参考文献：

[1] 王伟，黄雯雯，镇姣. Pictometry倾斜摄影技术及其在三维城市建模中的应用[J].测绘与空间信息，2011（3）：12-14

[2] 周杰.基于倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的方法研究[J]. 价值工程，2016，35（25）：232-235.