王 果，謝 瑞，肖海紅，祁 鈞，趙英豪

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2．煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實驗室，河南 鄭州 451191)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的校園三維模型構(gòu)建

王 果1，2，謝 瑞1，2，肖海紅1，2，祁 鈞1，趙英豪1

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2．煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程實驗室，河南 鄭州 451191)

校園三維模型的構(gòu)建是數(shù)字校園的重要組成部分，以河南工程學(xué)院為例，詳細(xì)介紹了利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建三維模型的方法與過程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型構(gòu)建等步驟，實現(xiàn)了河南工程學(xué)院西校區(qū)的三維建模，為構(gòu)建三維數(shù)字化校園打下了良好基礎(chǔ).

無人機(jī)傾斜攝影；數(shù)字校園；全要素；三維建模

伴隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，校園管理逐漸朝數(shù)字化和信息化方向發(fā)展.傳統(tǒng)的校園數(shù)字化手段主要基于測繪的二維地形圖，雖然地理位置和相對關(guān)系比較精確，但是需要花費較大的人力物力完成數(shù)據(jù)的采集和成圖工作.而且，對于大多數(shù)用戶而言，二維地形圖的直觀性較差，難以產(chǎn)生“身臨其境”的三維效果[1].

數(shù)字化校園建設(shè)過程中最重要的環(huán)節(jié)是校園三維模型的構(gòu)建[2].作為一種新興的三維數(shù)據(jù)獲取方法，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，通過無人機(jī)搭載多臺傳感器，同時從垂直和多個傾斜角度獲取影像，突破傳統(tǒng)航測只從垂直角度拍攝的局限，能夠同時得到建筑物頂面和立面的數(shù)據(jù)，具有周期短、效率高、精度高、成本低等優(yōu)點[3].以河南工程學(xué)院為例，詳細(xì)介紹了利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行河南工程學(xué)院西校區(qū)三維模型構(gòu)建的步驟.

1 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維校園建模方法

受時空分辨率、外界環(huán)境、飛行場地要求及使用成本的影響，衛(wèi)星遙感和載人航空攝影測量手段難以滿足地理空間數(shù)據(jù)獲取的需求.無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合，無人機(jī)搭載多臺傾斜攝影傳感器，從垂直和多個傾斜角度同時獲取影像，能夠反映地物周邊的真實情況,利用多個角度獲取的地物紋理信息可以更加真實地反映地物的實際情況，極大彌補(bǔ)了正射影像的不足，如圖1和圖2所示.

圖1 一組影像獲取示意圖Fig.1 Schematic diagram of a set of image acquisition

圖2 連續(xù)幾組影像獲取示意圖Fig.2 Sketch of several image groups acquisition

圖3 基于無人機(jī)傾斜攝影的校園三維建模流程Fig.3 The flow chart of 3D campus modeling based on the tilt photography of UAV

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的校園三維模型構(gòu)建主要包括校園傾斜影像數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理及三維模型的構(gòu)建等環(huán)節(jié)，整個流程如圖3所示.

1.1 校園傾斜影像數(shù)據(jù)的采集

校園傾斜影像數(shù)據(jù)的采集包括實地踏勘、航線規(guī)劃和數(shù)據(jù)采集，通過校園實地踏勘了解建筑物的布局與周圍建筑物的高度，以Google Earth下載的影像為底圖，按照以下步驟生成航線：①測區(qū)繪制；②飛行參數(shù)輸入；③產(chǎn)生航點數(shù)據(jù)[4].然后，將規(guī)劃的航線上傳至無人機(jī)飛控系統(tǒng)，進(jìn)行航飛，完成數(shù)據(jù)的采集.

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于相機(jī)在飛行器起飛前已經(jīng)處于工作狀態(tài)，飛控獲得的定位定姿數(shù)據(jù)數(shù)量會少于影像數(shù)量，所以需要根據(jù)規(guī)劃的航線對飛控數(shù)據(jù)進(jìn)行整理.另一方面，受偏向風(fēng)的干擾，會存在影像重疊率不規(guī)則、影像畸變差較大、影像對比度不相同等現(xiàn)象，需要對影像的數(shù)量、清晰度、色彩反差、色調(diào)和層次的豐富性進(jìn)行檢查.

(1)定位定姿數(shù)據(jù)的整理：定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)利用搭載在無人機(jī)飛行平臺上的GPS接收機(jī)獲取無人機(jī)飛行平臺曝光瞬間的空間位置及通過慣性測量裝置(IMU)感測無人機(jī)的加速度，經(jīng)過積分運(yùn)算，獲取無人機(jī)飛行器的速度和姿態(tài)等信息，需要根據(jù)規(guī)劃的航線對定位定姿數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲取規(guī)劃航線上的POS數(shù)據(jù).

(2)影像數(shù)據(jù)的拷貝與檢查：將傾斜攝影五鏡頭相機(jī)資料數(shù)據(jù)拷貝，按照前視、后視、正視、左視、右視分別建立對應(yīng)的文件夾，檢查資料的完整性與可靠性，根據(jù)曝光點的個數(shù)，將文件夾內(nèi)的影像數(shù)量相等作為檢核條件，對照片進(jìn)行數(shù)量、清晰度、色彩反差等方面的檢查，刪除錯誤影像.

1.3 三維模型的構(gòu)建

在數(shù)據(jù)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對影像利用SIFT(Scale Invariant Feature Transformation)算法進(jìn)行特征提取，按照公式(1)進(jìn)行光束法聯(lián)合空三測量，得到經(jīng)過優(yōu)化的高精度外方位元素和消除畸變后的影像，用于后續(xù)校園三維模型的創(chuàng)建和紋理的提取.

(1)

通過多基元、多視密集影像匹配進(jìn)行立體像對創(chuàng)建，以規(guī)則格網(wǎng)劃分后的空間平面為基礎(chǔ)，綜合利用像方特征點和物方面元及多視影像上的成像信息和特征信息，采用參考影像不固定的匹配策略，對無人機(jī)采集的多視影像進(jìn)行密集匹配[5]，利用并行算法快速準(zhǔn)確獲得多視影像同名點坐標(biāo)，進(jìn)而獲取高密度三維點云數(shù)據(jù)并生成數(shù)字表面模型(DigitalSurfaceModel，DSM)，最后通過紋理映射得到全要素三維模型.

2 校園三維模型的構(gòu)建與分析

2.1 試驗區(qū)概況

選取河南工程學(xué)院西區(qū)為試驗區(qū)，試驗區(qū)內(nèi)地勢平坦，有教學(xué)樓、實驗樓、辦公樓等建筑，絕大部分為5～6 層.試驗區(qū)周圍有高層建筑，高度在100m以內(nèi).采用6軸固定翼無人機(jī)飛行平臺，搭載增穩(wěn)平臺和五鏡頭傾斜相機(jī)(傳感器尺寸為13.2mm×8.8mm，相機(jī)焦距為10.4mm)，如圖4所示.設(shè)計相對航高為120m，布設(shè)3個架次，每個架次6條航線，航向重疊度為75%，旁向重疊度為75%，航線規(guī)劃如圖5所示.無人機(jī)水平飛行速度為6m/s，影像尺寸為5 472像素×3 678像素，傾斜影像平均地面分辨率為2.78cm.

圖4 6軸無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng) Fig.4 Six axis UAV tilt camera system

2.2 試驗結(jié)果及分析

依據(jù)上述基于無人機(jī)傾斜攝影的校園三維建模方法，將試驗區(qū)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.為了得到建模效果的局部信息，將圖書館區(qū)域放大顯示，通過聯(lián)合空中三角測量和多視密集匹配得到的試驗區(qū)三維點云數(shù)據(jù)如圖6所示.圖7為構(gòu)建三角網(wǎng)后的白模，三角網(wǎng)效果如圖8所示，圖9為三角網(wǎng)格化和紋理映射后的三維模型.整個試驗區(qū)經(jīng)過紋理映射的三維模型效果如圖10所示.

圖6 圖書館區(qū)域的點云數(shù)據(jù)Fig.6 Point cloud of the library area

圖7 圖書館區(qū)域的白模Fig.7 White model of the library area

圖8 圖書館區(qū)域的三角網(wǎng)效果Fig.8 Triangle net effect of the library area

圖9 圖書館區(qū)域紋理映射后的三維模型Fig.9 3D model of the library area after texture mapping

圖10 西區(qū)校園三維模型Fig.10 3D model of the main campus

從圖9和圖10的三維建模效果可以看出，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的校園三維模型不僅完整，而且細(xì)節(jié)層次清晰，滿足了三維數(shù)字校園建設(shè)的需要.

3 結(jié)語

校園三維模型的構(gòu)建是數(shù)字校園的重要組成部分，低空無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有實時性強(qiáng)、成本低、機(jī)動靈活、不受場地限制等優(yōu)勢，已成為快速獲得地理數(shù)據(jù)的有效平臺.通過在河南工程學(xué)院西區(qū)進(jìn)行試驗，驗證了該方法的可行性，為構(gòu)建三維數(shù)字化校園打下了良好的基礎(chǔ).

[1] 張培.基于ArcEngine數(shù)字校園三維場景構(gòu)建與可視化系統(tǒng)研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2016.

[2] 孫廣通，李雷.基于GoogleSketchUp建立校園三維模型[J].礦山測量，2016，44(3):115-118，135.

[3] 孫宏偉.基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模[J].現(xiàn)代測繪,2014,37(1):18-21．

[4] 李秀麗.基于Google地圖數(shù)據(jù)的可視化無人機(jī)航線規(guī)劃研究[J].測繪通報,2014(1):74-76．

[5] GERKE M.Dense matching in high resolution oblique airborne images[EB/OL].[2012-03-15].http://www.isprs.org/proceedings/xxxviii/3-w4/pub/cmrt09_gerke.pdf.

Research on the method of 3D campus modeling under the support of UAV oblique photogrammetry

WANG Guo1,2，XIE Rui1,2，XIAO Haihong1,2，QI Jun1，ZHAO Yinghao1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China;2.EngineeringLaboratoryofComprehensiveCoalResourceUtilizationandPollutionControlinHenanProvince，Zhengzhou451191,China)

The construction of three-dimensional model of campus is an important part of digital campus. Taking Henan University of Engineering as an example, the method and process of constructing 3D model by using the tilt camera technique of UAV are introduced in this paper, including data acquisition, data pretreatment, 3D model construction and so on. The three dimensional model of Henan University of Engineering is built under the support of UAV oblique photogrammetry, which lay a good foundation for the construction of a three-dimensional digital campus.

UAV oblique photogrammetry; digital campus; all geographical feature type; 3D modeling

2016-12-13

煤化工資源綜合利用與污染治理河南省工程試驗室開放基金(502002-B02，502002-B03)；河南工程學(xué)院博士基金(D2015040)

王果(1986-)，男，講師，博士，主要從事三維數(shù)據(jù)獲取及處理方面的研究.

P237

A

1674-330X(2017)01-0044-04