基于无人机倾斜摄影技术实现三维实景建模研究

何卫红

(淮北矿业股份有限公司杨柳煤矿，安徽 淮北 235119)

0 引言

近年来，航空摄影测量技术经过不断发展，各项技术日渐成熟，在日常测绘及大比例尺地形图测绘中展现出非常重要的作用。随着无人机技术的进步，航空倾斜摄影技术也迎来了前所未有的发展，而实景三维建模是倾斜摄影最重要的应用方向。但是针对小面积的三维高清实景建模，利用专业航拍建模工程量大，费用高。本文重点阐述消费级无人机搭台的云台单摄像头代替专业级多摄像头实现多角度倾斜摄影，利用ContextCapture软件自动从影像数据资料中迅速提取地面建筑物的空间相对位置、房屋建筑结构、色调与纹理表面信息等，迅速自动构建城市真实场景的三维空间模型，用户可实现自由旋转、移动，全方位直观地从三维模型上查看房屋、河流、路面等详细的真实纹理细节，填补了正射影像在空间数据方面的不足。

消费级无人机实现三维建模是利用在遥控器中自动设置航线，无人机将自动从不同的角度按规定的航线定时自动观测同一段地物。由于消费级无人机飞行高度低，影像资料纹理细节更加丰富、真实，该项技术将是未来小范围迅速建模的主流方向。

本文以淮北市杨柳煤矿工业广场附近部分区域为试验，开展了利用普通消费级无人机倾斜摄影测量技术建立矿区工业广场三维实景建模，总结了建模的技术要点和流程，并对建模过程中需要注意的事项进行了归纳和总结。

1 区域概况

杨柳煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内，井田范围南北走向长8.8 km，东西宽9 km，矿区面积为60 km2。本应用范围为矿区工业广场附近，飞行范围内总体视野开阔，地势较为平坦，建筑物为一般高层，最高25 m左右。

2 无人机倾斜摄影技术

2.1 基本原理

无人机倾斜摄影技术是在无人机搭载的可自动调节角度的摄像头实现数据自动采集，具有价格低、灵巧方便、不受空间高度限制、影像数据获取快的特点，特别是在小区域内低空获取高分辨率影像资料比专业的设备更具优势。该项技术是近几年随着消费级无人机的普及而兴起的一门测绘技术。它通过在无人机上搭载云台高清摄像头，在规定设置的航线内全自动从空中垂直向下、倾斜多角度等不同角度定时拍摄，从而自动获取一套高清晰影像资料。为便于后期软件对影像资料进行处理，拍摄影像资料时会自动记录照片的曝光时间、拍照平面位置、飞行高度、飞行姿态等大量基础数据。将消费级无人机的自动云台摄像头与倾斜摄影技术相结合，与传统的搭载多台传感器(专业常用的5个摄像头的相机)无人机比较，成本更低、效率更快，是构建城市实景三维模型的新型方式。

2.2 高清倾斜数据获取

高清照片获取是利用无人机搭载高清相机利用倾斜摄影功能完成的，本文讲述大疆御2pro无人机在开发者选项中开启dji pilot界面模式利用倾斜摄影的功能实现。

该无人机是2018年发布的一款消费级航拍无人机，其最大续航里程达10 km，最大飞行速度68 km/h(S档模式)，最大倾斜角度35°(S档模式)。相机基本参数如表1所示。

表1 相机参数

2.3 航线设置

在大疆无人机遥控器里设置航线，为保证建筑物纹理清晰及精度，在工业广场上方采用不同方向重叠航摄，如图1所示。

图1 倾斜摄影航线设置图

本例自动设置5条航线，重叠率均为80%，每条航线自动定时拍照238张照片左右，面积约11万m2，飞行高度设置超过最高建筑物30～50 m，飞行速度设置最大模式。无人机按航线设置顺序，自动执行任务完成影像照片数据自动采集，全部完成后将照片导出即可进行三维实景建模。

3 杨柳煤矿工业广场三维建模

本文利用软件ContextCapture，即Smart3D，这是目前常用的自动化程度较高的一款三维建模的软件，无须人工过多干预即可将利用无人机多角度获取的影像资料自动处理，通过计算机的图形计算，生成高密度的点云，构建大量格网，并在此基础上生成高分辨率的具有真实纹理的三维场景模型。

3.1 生成的实景三维模型的优点

1)真实纹理反映建筑物。实景三维模型的建立打破了传统工业工厂平面图及正摄航拍无法描述地物立体形状与表面真实纹理细节的限制，让用户可以从不同视角浏览同一地物，可最大限度还原工业广场周边地物样貌，与传统三维建模比较，目视效果更加逼真。

2)可量测数据。在生成的三维模型过程中对已知地面特征点进行刺点，输入地面坐标、高程，输出模型成果可进行地物长、宽、高、角度、面积、体积等信息量测。

3)建模速度快、效率高，能在短时间内获取高清模型数据，在工程规划，消防救灾、灾害评估等得到广泛应用。

3.2 技术流程

ContextCapture软件进行三维建模的主要技术流程如图2所示。

图2 无人机倾斜摄影三维建模基本流程

3.3 数据预处理

为保证建模效果，模型制作前对无人机获取的影像资料进行检查，包括影像的质量、格式、重叠度，同时对影像的色彩进行检查，确保光线均匀，色调一致，不出现局部偏色等情况，对无人机拍摄不合格照片进行适当去除，提高计算效率，保证模型生成最终效果。

3.4 模型生成

在ContextCapture软件中新建工程，导入无人机拍摄的影像资料，初步自检完毕，进行空三测量，倾斜摄影空三运算是实景三维建模的非常重要的一步，因多个视角的照片需要考虑影像的畸变及部分拍照视线的遮挡的因素，该软件的空三平差处理是将上传的影像资料中正摄(正片)及倾斜摄影(斜片)集中进行混合平差，软件自动选择不同视角内最优模型生成高密度的点云，构建三维空间信息，获得最佳效果的纹理。同时在定位和地理参考选项中通过像控点输入坐标位置。最后提交空进行任务处理，在3D视图中查看生成的三维模型成果，如图3所示。

图3 杨柳煤矿工业广场附近实景三维模型图

通过在Acute 3D Viewer软件中观察生成的三维模型场景中地物的空间位置、形状、颜色、外观等与实际环境一致，各地物单位之间衔接流畅完整，建筑物轮廓清晰，各面纹理完整，与实际情况相符，细节较好地表现出来，但是大门玻璃顶棚下部区域等视线遮挡部分的形状、轮廓出现偏差，出现部分空洞现象，说明在玻璃这种缺少纹理特征又表面光滑的地方会无法匹配特征点，而产生模型效果差的现象。

4 结语

消费级无人机倾斜摄影技术实现实景三维模型与传统的搭载多镜头的专业无人机的建模方式相比，有着倾斜摄影数据获取较快、成本低廉和高场景逼真度、真实纹理等诸多优点。它的应用填补了煤矿工业广场在平面图及航拍正摄投影在空间框架数据上的不足，提供了一种新的解决思路，成为航空摄影中一个新的发展方向，相信在未来会发挥越来越重要的作用。

但是该种建模成果还存在一定的不足:①对于摄影死角、地面路灯、供电线路等截面过小的地物，以及河流水面、玻璃等光滑表面又缺少纹理特征，会因特征点匹配较少而造成模型部分失真、空洞。②最终模型效果过度依赖于无人机摄像性能，对无人机摄像质量及拍照的天气成像要求很高。③由于拍照优选高清质量照片，影像数据量较大，对模型修改和后期应用都带来了诸多不便。