无人机倾斜摄影三维建模软件对比分析

张雪冰，韦 璐，郑湘辉，周 杨

(1.合肥财经职业学院 教务部,安徽 合肥 230601; 2.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

随着无人机技术的快速发展和消费级民用无人机的普及，无人机在各个行业中的应用越来越广泛。其中，无人机倾斜摄影技术常被应用于城市三维建模、景观建模、校园建模、道路车辆建模，常用的建模软件有大疆智图(DJI Terra)、Metashape、ContextCapture、Pix4D Mapper等。消费级民用无人机搭载单镜头可对拍摄目标进行四个侧视和一个下视角度的拍摄，通过使用上述建模软件对无人机采集的图像数据进行处理，可实现对拍摄目标复杂三维实景模型的构建。

近年来，国内外学者对使用倾斜摄影建模进行了不同的研究。张凯想[1]等研究使用Pix4D建模软件对无人机拍摄的村寨进行数字正射影像图(DOM)生成，论述了软件处理流程及软件使用注意事项，验证了使用Pix4D软件处理无人机采集影像进行建模的可行性；钟雷文[2]使用Context Capture和大疆智图(DJI Terra)两款建模软件对无人机拍摄的校园建筑进行三维建模，分析了两款软件三维建模效果的优劣；廖无双[3]利用数码相机采集小型物件影像照片，比较了Agisoft Metashape和Trnio两款建模软件使用所采集照片进行建模的流程。以上多位学者的研究主要针对某一款或两款建模软件讨论其三维建模流程、建模效果等，很少从三维建模时间复杂度、模型纹理表现等方面对多款建模软件进行综合对比分析。文章使用大疆Mavic2 Pro无人机对校园内某一区域进行倾斜摄影，获取前、后、左、右和垂直5个不同角度的影像照片，通过大疆智图、Agisoft Metashape、ContextCapture、Pix4D Mapper四款建模软件进行三维模型构建，对比分析三维建模时间复杂度和三维模型纹理细节表现力，为三维建模软件的选择提供一定的参考。

1 无人机倾斜摄影技术

倾斜摄影技术由垂直摄影技术发展而来，民用无人机技术的快速发展促使倾斜摄影技术的应用越来越广泛，可用于水利工程规划和建设[4]、边坡监测[5]、市政道路设计[6]等多个方面。使用无人机对拍摄目标合理规划5条航线进行航拍，可以获得一条垂直角度和前后左右四条倾斜角度航线上的拍摄影像照片。通过设置合理的航向和旁向重叠度等飞行参数，可以确保对于三维建模目标构筑物特征点在至少三张无人机航摄影像照片中可以找到[7]，同时无人机所拍摄照片会自动保存POS数据。在无人机航拍数据内业处理时使用三维建模软件对采集到的影像照片进行空三加密解算、多视影像密集匹配、点云生成、三维纹理映射和三维模型生成等，就能实现对目标构筑物三维模型的构建。

2 倾斜摄影三维模型构建

2.1 倾斜摄影三维模型构建流程

倾斜摄影三维模型构建包括外业无人机航拍作业和内业航拍数据处理两部分。其中外业无人机航拍作业包括航拍空域申请、航线规划、无人机航拍参数设定、像控点布设等内容。内业数据处理包括空三解算、点云生成等环节，具体流程见图1。

2.2 倾斜摄影常用三维建模软件

2.2.1 大疆智图

大疆智图(DJI Terra)软件是大疆创新推出的一款提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的PC端无人机航测软件[2]。提供高、中、低三种重建精度，满足不同现场建模、电网设备重建、建筑项目进度跟踪等多种应用的需求，通过导

图1 倾斜摄影三维模型构建流程图

入多角度拍摄所得影像，自动生成实景三维模型。大疆智图基于CUDA智能重建算法，可对大规模数据在短时间内进行处理，输出高质量重建结果。

2.2.2 Metashape

Metashape软件是俄罗斯Agisoft公司开发的一款3D实景建模软件，前身为PhotoScan，Metashape为PhotoScan的后续版本。Metashape软件允许将来自RGB或多光谱相机(包括多相机系统)的图像处理为密集点云、纹理多边形模型、地理参考真实正射影像和DSM/DTM形式的空间信息。Metashape软件可根据最新的多视图三维重建技术，对任意照片进行处理，无需控制点也可以生成真实坐标的三维模型，并且图像对齐和3D模型重建都能自动完成[8-9]。

2.2.3 ContextCapture

ContextCapture软件是Bentley公司旗下的一款三维实景建模软件，2015年Bentley公司收购了Acute 3D开发的Smart 3D建模软件，推出了ContextCapture。ContextCapture软件可以在原始照片数据符合要求的情况下无须人工干预或者少量人工干预进行快速、高效的实景三维建模，并支持多种数据格式的输出[10]。

2.2.4 Pix4D Mapper

Pix4D Mapper是瑞士Pix4D公司研发的专业无人机测绘和摄影测量软件，可搭配PIX4D capture APP实现自动飞行和影像数据传输，利用采集的RGB、热成像以及多光谱影像，通过自定义处理区域，选择处理选项，添加像控点，生成三维实景模型、正射影像图等，项目成果可以无缝输出到任意专业软件，如GIS、CAD等。

2.3 无人机平台参数

本次实验选用大疆Mavic2 Pro无人机用作倾斜摄影影像照片采集设备，无人机相关硬件参数见表1。

表1 大疆Mavic2 Pro硬件参数表

3 实例分析

3.1 实验区概况和数据采集

文章选择安徽建筑大学校园一角作为本次实验区域，实验区域面积约20 000平方米，地势无较大起伏，实验区建模要素有车辆、路面、路灯、球场、房屋等。

图2 实验区域

本次航拍选用大疆Mavic2 Pro无人机，航线规划使用大疆DJI GS Pro软件，飞行高度设置为20 m，航向重叠率设置为80%，旁向重叠度设置为75%。本次航拍飞行时间小于40分钟，获取航拍影像485张。

图3 倾斜摄影航拍无人机相机位置图

3.2 车辆建模效果比较

为了比较四款建模软件对实验区内车辆的不同建模效果，需要对比车辆前、后、左、右四个面的建模效果。对车辆前、后车标和车牌以及车辆左、右面的车门把手是否能标识分别赋分值1分和0分，1分表示能识别，0分表示不能识别，车辆建模效果的得分见表2(车牌后三位做了人为模糊处理)。从表2可看出四款建模软件在车辆建模中的具体表现，ContextCapture和大疆智图(DJI Terra)车辆建模效果好于Metashape和Pix4Dmapper，主要差距在于车辆细节的表现，比如车标、车牌的识别度，ContextCapture和大疆智图(DJI Terra)软件所生成的车辆模型车牌清晰可辨，而另两款软件生成的模型车牌辨识度则较弱。高辨识度的车牌对于车辆事故现场重构、车辆识别等应用场景具有重要意义。

表2 不同建模软件车辆建模效果

3.3 路面建模效果比较

路面建模效果的好坏对于交通事故痕迹鉴定、道路路面病害识别等都有重要的意义，表3为四款建模软件在路面建模上的不同表现，从表3中可以看出ContextCapture和大疆智图(DJI Terra)建模软件生成的路面清晰度高，路面车辙纹理表现清晰，另两款建模软件的表现则较为一般。根据路面车辙纹理清晰度给四款建模软件路面建模效果赋分，车辙纹理清晰得2分，较清晰得1分，模糊得0分，四款建模软件路面建模效果具体得分见表3。

表3 不同建模软件路面建模效果

3.4 地面构筑物建模效果比较

对于地面其他构筑物文章选取了球场钢丝护网、户外球场入口提示牌和地面窨井盖进行建模效果比较，比较结果汇总于表4。从表4可以看出，对于构筑物清晰度的表现仍是ContextCapture和大疆智图建模软件好于另两款建模软件，但对于护网这类近似平面的构筑物，ContextCapture和大疆智图生成的三维模型较Metashape和Pix4D Mapper更易产生孔洞。同前，根据不同的建模效果也对四款建模软件进行赋分，无孔洞、易识别、清晰分别得1分，有孔洞、难识别、不清晰分别得0分，四款建模软件得到的对应分值见表4。

表4 不同建模软件地面构筑物建模效果

3.5 建模时间复杂度比较

建模时间复杂度是指三维建模软件自航拍影像照片导入后，建模软件进行照片对齐、空三解算、密集点云建立、网格生成、纹理生成等操作所消耗的时间，也是倾斜摄影三维模型构建内业处理所消耗的时间。建模时间复杂度与航拍影像照片的数量、计算机的硬件配置、三维建模软件的选择等密切相关，随着航拍影像照片的增多，三维模型生成所消耗的时间也会显著增大。当照片数量一致、计算机配置相同时，三维建模软件的选择会直接影响建模时间复杂度。根据表2、表3和表4可以计算出四款三维建模软件的建模效果得分，经过本次实验统计，四款三维建模软件建模效果得分和建模所耗时间汇总于表5，从表5中可以看出大疆智图三维建模耗时明显低于另外三款建模软件。

本项目所采用计算机硬件参数为CPU: AMD Ryzen5 5600X；RAM: 32GB；GPU: NVIDIA GeForce RTX 3080 (Driver: 31.0.15.1694)。根据四款建模软件建模效果得分和建模消耗时间可以绘制出建模效果和建模耗时统计图见图4，从图4可以看出建

表5 不同建模软件三维建模效果和耗时

图4 建模效果得分和建模耗时统计图

模效果的好坏与建模耗时无直接关系。在选择三维建模软件时，可以选择建模效果满足要求，同时建模消耗时间尽量短的建模软件，对于本实验项目而言大疆智图和ContextCapture建模效果均可以满足要求且建模耗时小于另两款软件。

4 结论

无人机倾斜摄影三维建模软件的选择是一个较为复杂的问题，除了比较不同建模软件的建模效果、内业处理速度外，还要综合考虑经济适用性、操作系统是否支持等诸多因素。文章从三维建模耗时和建模效果方面进行了分析，根据分析得出大疆智图和ContextCapture三维建模效果可满足实验需求，且这两款软件三维建模耗时也少于其他两款软件。如果航拍影像照片数量较大或项目对三维建模耗时敏感时，因大疆智图建模消耗时间远低于另外三款软件，其建模所耗时间相对于表现不错的ContextCapture来说，也只有ContextCapture建模所耗时间的25.3%，因而可以优先考虑选择其作为无人机倾斜摄影三维建模软件。