空地一体化实景三维建模在智慧校园中的应用研究

王 倩，刘 攀，杨景祺

（1.甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050；2.哈尔滨市第三中学校（南岗校区），哈尔滨 150001）

随着虚拟现实（VR）等信息技术的发展，3S技术、三维激光扫描技术迎来了高速增长，地理信息技术行业进入了“大数据时代”[1]。并以丰富的地理信息数据为基础建立和完善了地理信息系统。地理信息数据的完善为“智慧城市”的建立打下了良好的基础，为人们的生活带来了巨大的便利。作为“智慧城市”在教育领域中的一部分，“智慧校园”建设也受到极大的关注。国家先后发表了相关规范，鼓励以真实校园为蓝本，融合计算机、虚拟现实技术、GIS和测绘生产技术等构建以“智慧校园”为主题的三维实景精细化模型，加快和完成“智慧城市”的建设。

作为获取数据的主要方法，无人机航空摄影测量技术的发展日新月异。倾斜摄影测量多镜头、多角度的数据可以完成遮挡、困难地势的地面数据采集，并以DEM、DOM及DLG等形式输出，相比传统的无人机航空摄影测量单镜头、垂直角度获取DOM，倾斜摄影测量具有范围大、周期短和效率高等优势。在数据处理上，传统的三维建模表面纹理经过拉伸后也呈现出凹凸不平、破洞等瑕疵，精细化、真实程度不够。通过近地面数据采集实现空地一体化多源数据融合建模，可极大地提升模型精细化程度与建模效率。空地一体化建模方式已经广泛应用于智慧城市、智慧园区[2]建设、地理国情监测、土地规划和防震救灾等领域，将是摄影测量技术发展的新趋势，也是当前实景三维建模研究领域的热门话题之一。

1 研究现状

关于三维建模方法，根据模型的精细化程度及原始数据来源的不同，三维模型构建方法大致可分为：空中三维建模、近景三维建模和空地一体化三维建模。

（1）空中摄影测量三维建模：利用无人机倾斜摄影测量获取多角度具备一定影像重叠度的数据，恢复影像空间姿态，再利用Context Capture软件建立空间地理信息三维实景模型[2-3]。改变了传统无人机摄影测量只从一个垂直角度获取数据并以DOM输出的形式。作业效率高、速度快。其成果广泛应用于不动产、智慧城市等建设中[4-6]。

（2）近景摄影测量三维建模：近景摄影测量技术是指对距离较近的目标物进行摄影，再通过对获取的图像进行一系列处理从而还原目标物体的形状、大小及位置[7]。近景摄影技术建模已经形成很多成果，应用于古建修复、三维景观和公路勘测设计[6]中。更适合局部精细化，在大规模城市建设中比较少。

（3）空地一体化三维建模：空地一体化建模是利用无人机平台搭载倾斜摄影相机、激光扫描仪等传感器进行数据采集[8]。其特点是融合多源数据，速度快、效率高[9]，被广泛用于大范围城市三维模型的快速重建中[10]。

以上各种方法都各有弊端，空中摄影测量精细化程度不够，近景摄影测量不适用大范围区域，三维激光扫描快速、信息量大但不适合局部扫描。因此依据不同数据源，将空地数据源融合，发挥各自的优点，是目前建模方法最具优势的一种。

2 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量学是通过同一航摄仪上搭载多视角航摄仪，目前最常用的是五镜头摄像机，可以同时从1个垂直、4个倾斜共5个不同视角来同步采集影像[11]，采集同时可以记录航高、坐标参数，获取不同视角下的建筑物表面。相比二维的正射投影图，更具有立体感。

无人机倾斜摄影测量技术近年来发展迅速。其原理如图1所示，其通过在同一飞行平台上搭载多视角航摄仪，目前最常用的是五镜头摄像机，可以同时从1个垂直、4个倾斜共5个不同视角来同步采集影像[12]，同时还可以自动记录航高、坐标参数，可以获取不同角度的建筑物纹理。对比传统的正射投影图只能获取一个方向的平面数据，多角度的拍摄更具有立体感，为之后的三维实景建模提供了丰富的数据。

图1 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量系统由飞行系统、采集系统和地面系统组成，如图2所示。其中飞行平台主要是小型直升机或者无人机；作业人员主要包括专业飞行及地面监测人员等[12]。

图2 倾斜摄影系统组成

3 数据获取

无人机倾斜摄影测量的技术流程如图3、图4所示，包括野外勘察、空域申请、方案设计和航摄准备，数据采集、整理与提交几个流程。

图3 数据采集技术流程图

图4 数据处理技术流程

以甘肃建筑职业技术学院兰州校园为实验建模区。地址位于兰州市七里河区晏家坪街道。占地面积312亩（1亩约等于667 m2），建筑面积18.2万m2。测区地势平坦，主要包括体育馆、教学楼等建筑物。

相机像元尺寸为0.012 mm，比例尺为1∶500，相机焦距35 mm，计算航行高度，根据公式可得

飞行高度为H=175 m。根据GH/Z 3005—2010《低空数字航空摄影规范》规定和精灵4航摄设备精度要求，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为75%。

倾斜摄影方面利用大疆无人机M400搭载睿铂5镜头进行航摄，设置4条航带，获取影像852张。

地面近景影像使用精灵4RTK无人机手动飞行拍摄，以近地面5 m、15 m、20 m 3个高度进行航摄设计，并以单反相机协助拍摄。使用南方RTK定位。设置影像重叠度保证拍摄质量。共获取845张影像。鉴于不同数据源影像分辨率差异性，以过度高度设计二次飞行来加大重叠度。

使用空中三角与控制点联合平差，使不同数据源电源密度一致，空间坐标参考系一致。

4 三维建模及精度评定

采用软件Context Capture分别处理倾斜摄影影像和近景摄影影像数据，导入遥感影像，进行三维模型重建。获取两者初始位置。再将两者影像合并、刺点，获得不同数据源的混合点云，构建实景化三维模型。如图5所示。后期可以使用Dp Modeler进行三维模型优化，相对单一数据源，空地一体化建模效果更为逼真，达到“智慧校园”建设标准。

图5 无人机试验区三维建模效果图

最后进行精度评价与检验，选取实验区10个检查点，并量测其坐标，同时在三维模型上这些检查点对应位置的坐标，然后计算检查点坐标中误差，进行误差统计，精度统计见表1。

表1 精度统计表

计算X和Y方向的中误差

综上所述，点位中误差3.23 cm，空地一体化建模精度满足大比例尺地形图测绘及工程建设的需要。

5 结束语

无人机倾斜摄影测量技术已经广泛应用于各个领域中，使用软件Context Capture进行三维实景建模，并使用空地一体多源数据融合建模的方式提升模型效果与精细化程度，将成为未来三维实景建模的主要发展趋势。