陳 蓉 王 博

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065； 2.湖北省測(cè)繪質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，湖北 武漢 430074)

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量建立三維實(shí)景模型也流行起來，對(duì)比其他測(cè)繪產(chǎn)品三維模型具有直觀性、客觀性和真實(shí)性，三維模型可以在城市規(guī)劃、地籍登記、旅游景點(diǎn)展示等多方面發(fā)揮很好的作用。2018年國(guó)家自然資源部正式掛牌，將推動(dòng)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)，要在960萬km2的范圍完成實(shí)景三維建設(shè)，是一個(gè)重大市場(chǎng)。

1 傾斜攝影測(cè)量的基本原理

傳統(tǒng)的攝影測(cè)量一般只搭載一個(gè)下視鏡頭以獲得下視影像為目的，采用像片傾角小于3°的攝影方式，這一方式便于后續(xù)生產(chǎn)數(shù)字地形圖、數(shù)字正射影像圖等成果，但是會(huì)失去地物尤其是建筑物的立面信息[1]。與傳統(tǒng)攝影測(cè)量不同，傾斜攝影測(cè)量鏡頭傾角一般都大于30°，為了更好獲取地物的立面信息，往往采用低空攝影的方式，通過傾斜的單個(gè)或者多個(gè)鏡頭進(jìn)行信息的采集，最后獲得整個(gè)區(qū)域的實(shí)景三維模型。無人機(jī)的出現(xiàn)，以其價(jià)格低廉、起飛方便彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量成本高、飛行要求高等問題，同時(shí)無人機(jī)飛行高度較低可以獲得更高分辨率的地面影像，有助于提高模型的精度和提升模型的紋理質(zhì)量[2]。常見無人機(jī)有大疆系列M600、精靈4pro等，其搭載的傳感器有專門基于大疆平臺(tái)研發(fā)的鏡頭，比如成都銳鉑和雙魚鏡頭，重量都不足900 g；國(guó)產(chǎn)測(cè)繪企業(yè)南方測(cè)繪和中海達(dá)也有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無人機(jī)和隨機(jī)配套的云臺(tái)和鏡頭。目前五鏡頭已經(jīng)成為獲取傾斜影像建立三維模型的主流配置，通過同一時(shí)刻拍攝的五個(gè)方向的照片，獲取豐富的地物信息，不再像之前單鏡頭只能捕捉單一方向的照片需要多次進(jìn)行飛行，能夠一次性獲取多種姿態(tài)數(shù)據(jù)，減少外業(yè)飛行作業(yè)時(shí)間。下文將以5鏡頭的無人機(jī)傾斜影像為例，通過Contex Capture軟件平臺(tái)，詳細(xì)講述三維模型生產(chǎn)過程。

2 原始數(shù)據(jù)獲取與整理

建立模型的原始數(shù)據(jù)需要下視影像和其他四個(gè)傾斜角度采集的影像，航線軌跡圖(.kml文件)，無人機(jī)POS記錄數(shù)據(jù)(pos.txt)，如果僅需建立相對(duì)模型不需要絕對(duì)地理坐標(biāo)，可以不需要無人機(jī)POS數(shù)據(jù)，需要注意的是五鏡頭獲取的數(shù)據(jù)文件夾需進(jìn)行改名如在每個(gè)文件前加1,2,3等，路徑和存儲(chǔ)名都要避免中文出現(xiàn)。在取得POS數(shù)據(jù)后需要根據(jù)飛影像姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，無人機(jī)在到達(dá)拍攝場(chǎng)景前或?yàn)閰^(qū)別第幾架次會(huì)拍攝幾張非測(cè)區(qū)照片，直到進(jìn)入攝區(qū)才進(jìn)行定點(diǎn)拍攝并記錄POS值，為了保證獲取的影像與POS值一一對(duì)應(yīng)，拿到數(shù)據(jù)后需要剔除未達(dá)到測(cè)區(qū)的影像數(shù)據(jù)。

以武漢交通職業(yè)學(xué)院為飛行區(qū)域，測(cè)區(qū)約1 000畝，區(qū)域內(nèi)地物和地形豐富，有各種人工建筑物、道路、大面積鋪裝地面、湖泊、樹林、山體等。本項(xiàng)目利用南方測(cè)繪電動(dòng)多旋翼無人機(jī)——天鴻T610無人機(jī)搭載天眼T51傾斜五鏡頭(如圖1所示)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，飛行平臺(tái)具體參數(shù)見表1，五鏡頭傳感器具體參數(shù)見表2。由于對(duì)同一地物獲取的不同角度影像的覆蓋度和重疊度越高，參與解算的照片會(huì)越多，模型可靠性更強(qiáng)，所以，獲取實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)盡量增加飛行中影像的重疊度。但重疊度越高對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件要求高，計(jì)算量也偏大[3,4]。此次飛行通過5個(gè)鏡頭分別獲取458張相片，共獲取影像2 290張，地面分辨率為1.5 cm，航向重疊為80%，旁向重疊為70%，飛行高度為100 m，地面控制點(diǎn)為7個(gè)。由Context Capture軟件完成空中三角測(cè)量及三維模型的構(gòu)建。

表1 無人機(jī)平臺(tái)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值軸距6軸,對(duì)稱電機(jī)軸距1 210 mm飛行時(shí)間搭載五鏡頭50 min起降場(chǎng)地3 m×3 m平整場(chǎng)地且通視情況良好最大速度14 m/s巡航速度最佳巡航速度8 m/s,最大爬升速度4 m/s飛控三飛控,三冗余系統(tǒng),三重保障抗風(fēng)能力6級(jí)(地面風(fēng)速小于10 m/s)懸停定位精度垂直±0.5 m;水平±1 m;航跡控制精度<1 m防水等級(jí)飛機(jī)整體不小于IP64降雨

3 三維模型的生成

目前市場(chǎng)有許多影像建模軟件，如Benetly,Context Capture,Photoscan,Pix4D等，本文主要采用Context Capture(原名Smart 3d，以下簡(jiǎn)稱CC)進(jìn)行三維模型的生成[5]。CC主要需要一組數(shù)碼相片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入傳感器屬性(焦距、傳感器尺寸、主點(diǎn)等)，照片的位置參數(shù)、照片的姿態(tài)參數(shù)、控制點(diǎn)等等，無需過多人工干預(yù)，能輸出高分辨率帶有真實(shí)紋理的模型。CC有單機(jī)版和聯(lián)機(jī)版本，本文區(qū)域面積較小，拍攝照片不多因此未采用集群方法，直接采用單機(jī)版CC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在建模區(qū)域很大、獲取照片數(shù)量較多可以采用局域網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)機(jī)計(jì)算通過多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)一個(gè)工程進(jìn)行計(jì)算大大縮減計(jì)算時(shí)間。

表2 鏡頭參數(shù)

經(jīng)過檢查相關(guān)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)航線軌跡和控制點(diǎn)是否在所需拍攝范圍內(nèi)，可以進(jìn)行建設(shè)三維模型。

3.1 工程建立

首先打開Engine(或者在提交空三運(yùn)算和重建三維模型運(yùn)算的時(shí)候打開也行)，然后再打開Master模塊，首次打開該模塊后，會(huì)彈出對(duì)話框，讓設(shè)置引擎路徑，即Job queue，設(shè)置好路徑后，就可以建立工程了。建立工程，主要是加載影像(以及pos數(shù)據(jù))，有兩種方式：New Block和Import blocks。New Block設(shè)置好路徑后，點(diǎn)擊OK，在空區(qū)塊中選擇photos菜單，然后點(diǎn)擊Add photos或Add entire directory，將影像分別加載進(jìn)來；Import blocks是將影像的一些參數(shù)以及路徑都保存在一個(gè)*.xls或*.xml中，然后通過導(dǎo)入塊，軟件自動(dòng)讀取需要的數(shù)據(jù)。

3.2 像控點(diǎn)輸入

在控制點(diǎn)的編輯過程中，先選擇成果所需的空間參考，輸入控制點(diǎn)信息，并在每個(gè)控制點(diǎn)下添加對(duì)應(yīng)的影像(每個(gè)相機(jī)的影像至少1張，而一般情況每個(gè)相機(jī)每個(gè)控制點(diǎn)至少3張)并標(biāo)志控制點(diǎn)所在具體位置，保存控制點(diǎn)信息。在空三加密前和空三加密后刺點(diǎn)都可以，建議在空三加密之后刺控制點(diǎn)，這樣就可以通過同名點(diǎn)約束來匹配得出控制點(diǎn)所在的刺點(diǎn)片，達(dá)到快速刺點(diǎn)的目的。

3.3 空三加密

空中三角測(cè)量是生成模型中重要的一步，在完成空三加密之后，得到一個(gè)新區(qū)塊，并且每張影像具有了精確地內(nèi)外方位元素，可以對(duì)加密成果在3D view下查看，如果有必要也可以添加連接點(diǎn)，可以點(diǎn)擊Aerotriangulation report后的View或Open來查看連接點(diǎn)和控制點(diǎn)的誤差?！翱杖标P(guān)系模型查看無明顯錯(cuò)誤后，可計(jì)算三維模型/提交重建任務(wù)(Submit new production)。在完成計(jì)算后，CC會(huì)給出一個(gè)質(zhì)量報(bào)告，需要注意的是要關(guān)注報(bào)告中的幾個(gè)參數(shù)，一個(gè)是photo matching中連接點(diǎn)的重建誤差均方根(RMS)，一個(gè)是控制點(diǎn)的重建誤差均方根，一般來說普通無人機(jī)在的RMS要小于0.6，控制點(diǎn)的值小于1。

3.4 模型輸出

CC會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小將項(xiàng)目分割成大小不一的瓦片進(jìn)行重建，此時(shí)需要注意存儲(chǔ)路徑所在盤大小和生成模型大小。在軟件中可以通過點(diǎn)擊Spatial framework后，在上圖界面中，可以設(shè)置輸出模型的大小范圍，可以通過坐標(biāo)輸入，也可以通過Import from KML來導(dǎo)入，導(dǎo)入的范圍可以在谷歌地球或者LocaSpace中畫出來，保存成*.kml即可。由于影像多，所以就會(huì)輸出很多瓦片，瓦片大小的設(shè)置如下圖所示，改變Tile size可以增減輸出瓦片的數(shù)量，一般默認(rèn)就可以了，如果數(shù)據(jù)量大，可以集群來處理。

模型構(gòu)建先按照點(diǎn)云生成、構(gòu)建TIN模型和紋理自動(dòng)映射來完成的。根據(jù)空三計(jì)算出來的外方位元素，通過影像匹配得到高精度的點(diǎn)云，通過配對(duì)TIN模型的每一個(gè)三角面與對(duì)應(yīng)紋理影像進(jìn)行模型自動(dòng)紋理映射，最后得到三維模型[6]。

模型的精度由多種因素共同決定，如外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量、影像重疊度、拍攝影像質(zhì)量、飛機(jī)飛行高度等。可以在控制點(diǎn)之外選擇更多的控制點(diǎn)，也就是不進(jìn)入空三結(jié)算，量測(cè)檢查點(diǎn)在模型上對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)，與真值進(jìn)行比對(duì)，檢查模型的絕對(duì)精度。

生成的模型利用CC中viewer打開，還可以獲取空間距離、面積、體積等量測(cè)，本文以學(xué)校為測(cè)試區(qū)進(jìn)行飛行，圖2為生成學(xué)校的三維模型，而在實(shí)際城市中用同樣方法建立三維模型，可以結(jié)合建筑高度、日照分析等。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，該軟件存在不能對(duì)其過程數(shù)據(jù)編輯的問題，因此，在實(shí)際像素進(jìn)行查看時(shí)，地物連接處可能會(huì)存在明顯的邊緣粘連情況，因此必須通過第三方工具進(jìn)行處理?？偟膩碚f，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的誕生，相關(guān)軟件幾乎全過程自動(dòng)化生產(chǎn)，為快速生成城市實(shí)景三維模型帶來了契機(jī)。通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，快速建設(shè)出城市的三維模型，將城市面貌直觀的展現(xiàn)在大家面前，同時(shí)能夠幫助城市管理者在城市規(guī)劃、拆遷、改造、交通管理等方面提供新的思路。