基于无人机倾斜摄影技术的三维建模及数字化保护的研究——以周家大院古建筑群为例

胡 康 何永红 靳鹏伟 王加进

（湖南科技学院 土木与环境工程学院，湖南 永州 425199）

传统建筑三维建模常常利用数字地形图、高程图以及建筑纹理贴图等大量的数据，通过人工建模建立建筑物精细三维模型，但是存在建模时间长、成本高、工作量大等问题。现如今，随着无人机技术的迅猛发展，可通过在低空无人机平台上搭载多台传感器来获取地面上不同角度的影像数据，利用这些影像数据可进行DOM 影像的制作、影像分析以及 DLG 数字线划图等传统的二维测绘作业，同时还可以实现实景三维模型的构建。构建的三维模型，有着人工干预少、效率高和模型场景逼真度高等诸多优点，弥补了传统建筑三维建模的不足，在三维建模方面优势显著。

1 无人机倾斜摄影三维建模原理及流程

1.1 无人机倾斜摄影建模技术基本原理

倾斜摄影测量技术[1-3]，主要是通过在同一飞行平台上搭载数字航摄仪，分别从垂直、倾斜等多个不同角度采集地面影像，并把接收到的数字影像记录在磁盘上，通过数字倾斜摄影测量软件，最终形成与人眼视觉相吻合的真实、直观的影像效果。通常采集的地面影像分为正片和斜片，正片获取的是一组垂直向下的影像；斜片指的是镜头朝向与地面成一定的夹角拍摄，并分别指向不同的方向的一系列影像。相对于垂直影像，在建筑物三维模型构建过程中，倾斜影像发挥着更大的作用，它可以从建筑物的前、后、左、右等多个方向去查看建筑物的侧面，满足了建筑物表面纹理细节生成的需要。同一区域拍摄的垂直影像可被用来对生成的三维建筑模型进行改善。数据处理过程主要是将照片导入到Smart 3D 软中，运用计算机图形计算，结合POS信息空三加密处理，生成点云，并构成格网，再结合照片生成有纹理的三维模型。

1.2 无人机倾斜摄影建模的具体优势

（1）降低三维建模的成本。无人机倾斜摄影技术优势主要表现为：能有效降低三维建模的成本，更高效地解决航摄影像无法监测建筑物立面高度变化的问题。

（2）建筑物基础信息完整获取[4-5]。无人机倾斜摄影技术可以迅速获取建筑物的外框数据、高程数据、房屋屋顶以及高层建筑顶部的矢量数据等各类基础信息，内业处理人员并可以通过建筑物的外框和屋顶坐标等信息，构筑出更加贴合实际的实景三维模型。

（3）快速建立模型库[6-7]。依据无人机倾斜摄影数据，提取倾斜原片数据，然后进行人机交互三维建模，输出能够较为准确、精细地复原出建模主体的真实细节构成的三维网格模型，该模型具有高分辨率、细节纹理真实等优点，有效改善传统人工建模的低精度等特点。

（4）机动灵活，携带方便。无人机具有机动性、灵活性以及安全性、经济性等特点，对起降场地的要求不高，拆卸组装方便，小巧灵活，容易进行操作和控制，而且成本较低，适合在建筑物密集的城市地区和复杂地形的地区应用，可以克服大飞机航拍的局限性。

1.3 无人机倾斜摄影建模关键技术

（1）Smart 3D 实景建模。运用Smart 3D，工期短，人工干预少，建模过程自动化，可以高效的进行数据处理。为保证数据格式的正确和资料完整性，在运用Smart 3D 前，先将外业航测获取的航摄数据以及像控数据按规定的格式要求进行预处理，然后再将数据导入软件进行相应的建模处理，Smart3D 最大的一个优点是它可以支持没有POS 数据的影像，比如用单反拍的照片也是可以导入进去并运行的。

（2）数据导入，工程构建。数据导入后，要点击检查影像文件，检查影像文件是否导入完整，以确保数据的可靠性。所需要的影像文件主要包括满足外业重叠度要求的多角度影像、POS 数据以及像控数据。对于倾斜摄影不同视角获取的影像数据，同一个方位相机得到的像片应放在同一个文件夹中，在做数据处理时要建立五个文件夹，并且在保存像片的路径中一般不能用中文，数据命名还要有唯一性，否则在接下来的操作中会出现错误。

（3）空中三角测量，空三加密。空中三角测量是利用影像匹配确定影像之间的同名像点以及少量图像控制点数据，通过区域网的联合平差，得到图像加密点的地面坐标和精确的外方位元素。其主要目的是为缺少野外控制点的地区提供绝对定向的控制点。倾斜摄影能够多角度获取影像，自然会有丰富的影像冗余信息，可以利用影像冗余信息修正错误的匹配，同时还可以补充拍摄盲区的地物特征。图像匹配的可靠性和准确性将直接影响到空中三角测量的精度。在Smart 3D 软件中，空三加密为全自动解算过程，空中三角测量处理过程主要包括设置航带、内定向、连接点匹配、平差等过程。如果空三计算成功的话，就可以进入到三维重建，失败的话则要对影像数据进行重新检查，查看 POS 数据、影像与POS 数据是否对应，然后再进行空三计算。空三加密是整个建模过程中最重要的一个步骤，他的结果直接影响了后期工作的成败。

（4）实景三维模型优化。如果测区较为复杂，周围障碍物、建筑物较多的情况，为了防止数据混淆、数据不准确的情况发生，最好的办法是多采集一些特征点。观测条件最好选择天气晴朗、云较少的天气进行倾斜摄影，此时，获取的影像分辨率高、航向和旁向重叠度大且清晰度高，则最终构建的三维模型质量越高[8]。若生成的倾斜实景三维模型成果出现水面漏洞、颜色失真、结构丢失以及破损等问题，则可以在Smart 3D、PS、3DMAX 等图像处理软件中进行再次优化处理。优化方法主要有：几何修复、细部整饰、纹理修补等，最终得到贴合实际的实景三维模型。

2 实验与分析——以周家大院古建筑群为例

2.1 实验研究区域概况

周家大院，坐落于永州市零陵区富家桥镇潇水支流——贤水河的源头，始建于清光绪年间占地7800 余平方米，保存至今的古建筑群。研究区域内以田园为主，附有小片山区丘陵，大多为古建筑，无高层、超高层建筑，为了更好的保护这一古建筑群，我们采用无人机倾斜摄影与三维建模的方式，将其原貌进行数字化存储并加以保护。

2.2 外业数据采集

外业工作主要包括测区勘探、设计航线、像控点布控、设定航测参数等流程，航测中需要注意的要点：

（1）在飞行作业中，将遥控器天线切面面向飞行器以获得最佳信号。

（2）如果任务完成前出现电池电量不足，则可手动结束任务，更换电池后继续进行外业数据采集。

2.3 数据预处理

本实验拍摄影像数量为 7320 张、影像地面分辨率为10cm、航向和旁向重叠度分别为66%、55%。考虑到影像数据量大，处理过程耗时较长，为了防止处理过程中出现错误浪费时间，降低整建模的效率，根据周家大院古建筑群的形状特征、控制点分布，将整个区域分为6 块分别处理，最后再将6 块区域模型拼接，输出整个测区的正射影像图。整个周家大院测区的正射影像图如图1 所示。

图1 周家大院无人机倾斜摄影建模正射影像

2.4 空中三角测量

选用Smart 3D 软件来进行空中三角测量。空中三角测量之前要对POS 数据进行整合，从而在后期处理中不会造成影像缺失等问题。本次实验中空中三角测量是关键性的一步，空中三角测量决定最后周家大院古建筑群三维模型的成果质量，是内业处理时最重要的一步。如果空三计算成功，可以进入到下一步：三维重建，倘若失败的话则要对影像数据进行重新检查，找出问题，然后再进行空三计算。

2.5 周家大院古建筑群三维建模

无人机倾斜摄影技术中的密集点就是通过多视影像的处理得到模型，有利于后续影像的生成。获取到相应数据后，先通过滤波处理，同时进行数据匹配，直到最后得到DSM。若使用无人机摄影过程中发生影像数据丢失的情况，则会影响后面的三维建模，这时人工编辑人员需要根据实际情况进行相应的控制，降低问题发生的概率。随后构建TIN模型，对生成的“周家大院古建筑群三维模型”进行优化，最终实现影像真实纹理与整个实景三维模型的自动关联，并将其通过数字化存储进行保护，如图2、图3、图4 所示。

图2 周家大院无人机倾斜摄影建模（正向俯视效果）

图3 周家大院无人机倾斜摄影建模（背向俯视效果）

图4 周家大院无人机倾斜摄影建模（侧后方俯视效果）

结束语

文章以周家大院为例，探讨如何对古建筑群进行倾斜摄影三维建模，其中外业数据采集所用的无人机基于东、南、西、北以及正视五个视角传感器，对周家大院测区拍摄了五组影像图，经过数据预处理、空中三角测量加密等操作生成影像点云和三维TIN 模型，实现影像真实纹理与整个实景三维模型的自动关联，并最终达成将其通过数字化存储进行保护的目的。