段宗恩，張海生

(貴州省第一測(cè)繪院，貴州 貴陽(yáng) 550004)

1 引 言

實(shí)景三維模型是城市空間信息的重要表達(dá)方式，對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、應(yīng)急響應(yīng)有重要作用。傳統(tǒng)三維城市建模工作的速度、效率及時(shí)效性難以滿足三維城市的應(yīng)用[1]。

相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)景三維建模，利用無(wú)人機(jī)搭載光學(xué)鏡頭進(jìn)行傾斜攝影快速生成三維模型的作業(yè)方法更高效，成本更低。傾斜攝影三維建模已經(jīng)成為獲取三維模型數(shù)據(jù)的重要手段[2]。目前市場(chǎng)上主流的傾斜攝影方案多以五相機(jī)、雙相機(jī)方案為主，通常相機(jī)模塊價(jià)格比較昂貴，多鏡頭相機(jī)要求多旋翼無(wú)人機(jī)具有超高穩(wěn)定性和續(xù)航能力。相比之下，單相機(jī)傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項(xiàng)目中更具有優(yōu)勢(shì)[3，4]。

實(shí)景三維模型成果除了能用于大比例尺成圖以外還能用于 1∶500地籍調(diào)查、不動(dòng)產(chǎn)登記確權(quán)、地質(zhì)災(zāi)害分析、公安應(yīng)急消防、智慧城市、帶狀公路規(guī)劃設(shè)計(jì)，城區(qū)改造、文物保護(hù)等[5～8]。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)地理概況

試驗(yàn)區(qū)位于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)，海拔 1 106 m～1 134 m，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要為學(xué)校等建筑及相間綠化帶，面積約為 1 km2。

3 三維實(shí)景建模

3.1 單鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)

單鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)采取“井”字形的航飛作業(yè)辦法，鏡頭朝向一個(gè)角度，采取密集航線，“井”字交叉飛行采集數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能快速、有效地獲取地物的影像及紋理特征，借助數(shù)據(jù)處理軟件，快速實(shí)現(xiàn)三維建模。本次試驗(yàn)采用某品牌智能航測(cè)系統(tǒng)D1000。

系統(tǒng)固定翼無(wú)人機(jī)重量 1.38 kg，軸距 350 mm，最大上升速度 6 m/s，定位模式最大飛行速度 50 km/h，抗風(fēng)速 10 m/s，最大航時(shí) 30 min。云臺(tái)角度控制精度 ±0.02°。系統(tǒng)采用DJI FC6310型號(hào)相機(jī)，f/2.8-f/11帶自動(dòng)對(duì)焦，焦距 35 mm，2000萬(wàn)像素。本次航飛航向重疊、旁向重疊80%，飛行高度 110 m，地面分辨率 3 cm。

3.2 無(wú)人機(jī)管家軟件

無(wú)人機(jī)管家是一款優(yōu)秀的飛行控制軟件，集中了智能航線、智能飛行、智能檢圖、智能拼圖、智能監(jiān)控、維修保養(yǎng)等多個(gè)模塊。從航線規(guī)劃到飛行控制、從圖像預(yù)處理到一鍵拼圖，從云端數(shù)據(jù)共享到維修保養(yǎng)，無(wú)人機(jī)管家軟件為用戶(hù)提供一站式航測(cè)服務(wù)，無(wú)人機(jī)管家航線規(guī)劃界面如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)管家航線規(guī)劃界面

3.3 技術(shù)路線

單鏡頭多視角傾斜攝影航線不同于一般多鏡頭傾斜攝影，采取“井”字形的航飛作業(yè)，因此對(duì)航線設(shè)計(jì)提出更高要求。得益于智能航線規(guī)劃軟件，生產(chǎn)作業(yè)中只需對(duì)地面分辨率、重疊度、相對(duì)行高關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)航線規(guī)劃。

多視立體視覺(jué)算法密集匹配也是傾斜攝影三維建模中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)基于灰度和特征的匹配方法難以獲取滿足建模需要的同名點(diǎn)，基于多視立體視覺(jué)算法(PMVS)和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)算法(SFM)自動(dòng)匹配連接點(diǎn)，可以得到高精度和高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)精細(xì)三維建模的關(guān)鍵流程。

單鏡頭多視角傾斜攝影技術(shù)實(shí)景建模步驟如圖2所示：

圖2 單鏡頭多視角傾斜攝影技術(shù)實(shí)景建模方法流程圖

3.4 三維建模結(jié)果

將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D Capture軟件，基于多視立體視覺(jué)算法(PMVS)和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)算法(SFM)自動(dòng)匹配連接點(diǎn)。野外像控刺點(diǎn)后，經(jīng)過(guò)三角網(wǎng)構(gòu)面，紋理映射，模型修補(bǔ)，生成實(shí)景三維模型。圖3～圖6為軟件中三維模型截圖。圖6模型細(xì)節(jié)完整，未見(jiàn)扭曲拉花粘連情況，建筑外墻面平整，外墻樓名清晰。

圖3 白膜

圖4 三角網(wǎng)

圖5 三維模型

圖6 模型細(xì)節(jié)

三維建模技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)、城市應(yīng)急管理、地形測(cè)量、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪項(xiàng)目中有廣泛的應(yīng)用。傾斜攝影三維建模最終成果是高精度、可測(cè)量的，可裸眼實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量。三維模型多視角測(cè)量在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中比傳統(tǒng)攝影測(cè)量更為高效，直接量測(cè)建筑外圍墻壁，省去傳統(tǒng)屋檐改正步驟，提高作業(yè)效率。

4 精度檢驗(yàn)

針對(duì)模型成果精度檢驗(yàn)，選取6個(gè)分布均勻的檢查點(diǎn)，野外實(shí)地坐標(biāo)與模型坐標(biāo)對(duì)照如表1所示：

檢查點(diǎn)精度對(duì)比表 表1

檢驗(yàn)結(jié)果各地物特征點(diǎn)△X最大值 0.09 m，△Y最大值 0.09 m，△H最大值 0.08 m。滿足大比例尺測(cè)圖實(shí)際需求。在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪項(xiàng)目中，模型精度可以滿足作業(yè)生產(chǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

西南云貴山區(qū)，地形起伏大，植被覆蓋率高，增加了航空攝影測(cè)量工作難度。與傳統(tǒng)五鏡頭或兩鏡頭傾斜攝影相比，單相機(jī)傾斜攝影方案成本更低，在小范圍三維建模項(xiàng)目中更具有優(yōu)勢(shì)。本文以實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明單相機(jī)傾斜攝影方案確實(shí)可行，在小范圍、低成本、工期短、精度要求高的實(shí)景建模項(xiàng)目中具有較好的實(shí)際應(yīng)用效果。