无人机航拍三维场景制作

郑宏捷，杨森斌

无人机三维场景制作在军民用领域拥有广阔前景，近年来相关行业应用不断增加，积累了丰富的应用解决方案。为全面了解该技术的实际操作运用方法。本文从无人机准备到三维场景制作的全流程进行阐述，并介绍ContextCapture软件制作3D模型的简要方法。

利用无人机进行三维场景重建是近年来发展的新技术，称为倾斜摄影技术。这种技术改变了原本直接对地面目标进行航拍的方法，按照一定规律采集地面场景中不同角度的图像，经过软件计算处理，生成三维模型，并将图像制作成纹理贴图，形成符合人眼视觉、接近真实的场景。本文从无人机准备、航拍任务规划、航拍实施、数据处理四个方面介绍无人机三维场景制作的方法及流程。

航拍前无人机准备

航拍无人机主要有固定翼和旋翼两种类型。旋翼无人机具有飞行稳定性好、机动性强等特点，成为三维倾斜摄影的主要工具。常见的旋翼无人机有四旋翼、六旋翼等构型，机身可搭载单个镜头，有时为增加作业效率，也搭载多个镜头，具体使用何种无人机，要根据作业需要和实际情况确定。有的航拍无人机控制器自带显示屏，这种控制器一般不能额外安装软件，也不能外接平板或手机使用，一般不采用。因为三维场景重建通常需要利用第三方软件，且使用屏幕更大的平板电脑进行操作较方便。无论选用何种无人机，在飞行前都要充分检查，以保证航拍任务顺利完成，避免发生飞行事故，造成危害和损失。

外场飞行之前，要对无人机进行检查，避免到现场才发现无人机无法使用。一方面是静态检查，主要检查无人机外观，确保外观良好无损坏，螺旋桨没有裂缝和损坏，任务设备外观正常，电池电量充足。另一方面要将无人机和地面控制器进行通电联试，确保控制器遥控按键以及控制软件工作正常，确保指南针、GPS、信号传输等系统工作正常，检查存储卡空间是否充足。

航拍任务规划

在飞行前进行航拍任务规划，是确保航拍任务顺利实施，防止飞行事故发生的重要工作，主要包括航线规划、拍摄规划和人员安排三个部分。其中，航线规划和拍摄规划要统一制定。

图1 单镜头无人机目标上方和侧方航线。

航线规划

根据航拍任务需要，对无人机飞行航线进行合理规划是安全飞行，提高作业效率的重要保证。航线规划要根据拍摄区域周边环境情况以及地形、地物对航拍图像的要求，设置合理的飞行高度，规划安全有效的飞行路径，在飞行过程中做到心中有数，确保安全无事故。

合理选择起降场地也是航线规划的重要内容。合适的起降场地能缩短起飞点到目标区域上空的非拍摄飞行时间。起降场地应选择平坦、周边无高大障碍物、人流量较少的位置。

为便于后续三维建模数据处理，无人机航拍图像要有规律性，这也决定了无人机飞行航线要比较规整。梳子型航线是倾斜摄影建模中运用较多的航线类型，高精度模型要求对地物进行前、后、左、右、上五个方向拍摄。若是精度要求不高，或者受无人机条件限制如固定翼无人机无法直角转弯，也可以采取其他航线。

拍摄规划

正确的拍摄规划是保证航拍图像质量和可用性的前提条件。拍摄计划要根据无人机机载相机的类型和参数进行确定。若是五镜头航拍相机，相机角度均为固定，只需根据无人机飞行速度、飞行高度、重叠率要求，确定好拍摄时间间隔。飞行时按规划航线在目标区域上空飞行一次即可。这种镜头可节省飞行时间，但飞行到区域外沿时，拍摄了目标区域外的很多无用图像。若采用单镜头航拍相机，则要设置好倾斜角度，不要拍摄到天空，一般情况下航拍相机倾斜角设置为45°。此外，应根据相机视角和飞行高度等参数，以及相关要求设置好拍照间隔。

为加快拍摄速度，简化拍摄步骤，也可采用视频拍摄方式，后期软件可以从视频中采样截取帧以获得图像。但拍摄视频时，无人机一般不能记录其所在位置的经纬度和高度信息，最后生成的三维模型不能显示地理信息。

人员安排

外场航拍时一般至少安排两名作业人员。一名负责操控无人机，一名负责观测。无人机操控员主要负责飞行操控和影像照片的拍摄，观测人员采用目视观察的方法查看无人机的空中位置，发现无人机靠近高大建筑物或有其他危险情况时，及时提醒操控员。在条件允许的情况下，也可以多安排一名相机云台操控员，让飞行与航拍工作各自分开。

航拍实施

天气是航拍实施首要考虑的客观因素，一般不在下雨、浓雾、夜暗等条件下飞行。风速过大影响飞行安全及无人机稳定性，也不适合航拍作业。航拍时机一般选择光线均匀的中午前后，避免阴影造成影响。

起飞前要充分做好地面检查工作。一是再次检查无人机机体及螺旋桨外观，机身卡扣是否取下；二是检测机载飞行控制和导航设备的工作状态，电池电量是否充足；三是根据周边最高障碍物情况，设置好安全的失控返航高度；四是将遥控器切换到合适档位。

无人机开始飞行时应进行校飞。起飞时，先使无人机上升到3m左右的高度，然后悬停片刻，再手动操控无人机，检查前、后、左、右、旋转、上升、下降各个方向的飞行状态，以及飞行过程是否顺畅、稳定，待各方面都没有问题后再操控无人机上升到空中。

为保证建模生成的场景色调明暗一致，航拍时要将照片设置为固定的参数，比如曝光亮改为手动曝光，设置固定的IOS等。图2为无人机控制界面截图，在设置相机参数时，如果采取自动曝光模式，测光后可以将界面右上角“AE”锁上。这样做是为了避免照片之间产生不同的曝光参数，后期制作时造成明暗反差过大。虽然后期处理软件有调整图像明暗的功能，但在采集素材阶段就应提前做好工作，提高工作效率。

图2 无人机飞行控制界面。

使用无人机航拍时，需按预设飞行航线和飞行高度，由人员操控无人机完成飞行和图像信息采集。此外Atizure、Pix4Dcapture等第三方软件具有根据任务区域自动生成航线、自动控制飞行和航拍等功能，极大方便了航拍工作。针对不同的飞行环境和条件，采用不同的飞行控制方式，既要满足便捷性要求，也要兼顾安全因素。

图3 新建区块界面。

图4 提交空三后的界面。

数据处理

获得航拍数据后，要利用软件生产和制作三维场景。常见的三维场景制作软件有ContextCapture(Smart 3D)、Pix4D、Photoscan等。下面介绍使用ContextCapture软件进行数据处理的过程。

图5 空三完成后的3D 视图。

ContextCapture软件主要包括Master、Engine、Viewer等模块。Master是一种人机交互界面，相当于一个管理者，具有创建任务，管理任务，监视任务进度等功能，软件各种操作都在Master中进行。Engine是引擎端，负责处理所指向工作队列中的任务，可以独立于Master打开或者关闭，可把它理解为后台运算单元，是负责数据计算的一种工具。Viewer用于预览生成的三维场景。

使用ContextCapture处理航片，主要在交互模块Master上进行加载和设置。其简要步骤如下。

首先，打开ContextCapture Center Master软件，出现新建工程界面，点击新工程，在出现的对话框里输入“新工程”名称并保存路径，需要注意的是新工程名称不能为中文，否则会报错。软件也可以进行集群网络计算，这时需要在工程目录里输入网络路径。

第二步，点击OK后软件会新建一个工程，并自动建立一个空区块block_1。进入“影像”选项卡，点击“添加影像”，选择目录或者文件导入航拍获得的照片。如需集群处理，则需导入网络路径下的照片。“设置降低采样”可以在空三计算时对照片进行重新采样，以加快速度，建模时仍使用原始分辨率影像，时间和条件满足要求的情况下一般不设置。在建模失败时，可以用“检查影像完整性”功能进行数据完整性检查。如果航拍照片不包含经度、纬度、高度等位置信息，则需要加载位置文件，从照片文件的详细信息里查看是否有GPS信息。值得注意的是，如使用图像处理软件处理原始图像，原始照片信息会丢失，会出现无法建模的情况。因此，一般情况下不对原始图像进行处理。如果遇到雾霾等特殊情况一定要处理，但处理前需要利用MasterUAS等软件提取文件的ID和位置信息，生成pos文件，而后再进行处理。

第三步，在“概要”选项卡中或右键点击区块进行空中三角测量。自动建立的空三后的名称为原区块名加上AT，点击下一步，对相关参数进行设置后点击“提交”。当出现等待界面后，要打开引擎“ContextCapture Center Engine”，只有出现空三计算的进度条，计算机才进行空三运算。

第四步，空三完成后查看概要信息，出现影像信息完整的提示才能进行下一步建模操作。此时可以在3D视图中查看控制点和相机状态，检查结果中有没有明显的分层或者交叉的现象。在此过程中，为提高计算的精确性，也可以在测量选项卡中设置控制点。

图6 模型查看。

第五步，使用“概要”选项卡中右下角的“新建重建项目”按钮，在空三结果中开启一个重建。在“空间框架”和“处理设置”选项卡中进行必要的设置，在空间框架选项卡中，要根据计算机内存大小设置切块，否则可能无法完成建模。比如计算机内存是8G，若一个切块预测值就有10G，显然不合适。这也说明在使用软件进行建模时，一台性能好、内存大的计算机十分重要。在右侧模型显示区，可以对兴趣区域进行调整，保留需要建模的区域，减少无用的计算量。

第六步，选择Reconstruction1，点击概要选项卡中的“提交新的生产项目”按钮。点击下一步完成各种设置后提交生产。在格式选项中，可以选择需要的三维模型格式，便于后期使用。最后点击提交，运行引擎，完成后可以在3D视图中查看模型最终效果。利用自带工具可以对模型距离、位置、面积、体积等参数进行测量。