樊新乾 麻麗明 武曉英 王慶斌

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)是無人機(jī)掛載圖像采集傳感器，采集被采集對(duì)象圖像數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期內(nèi)業(yè)處理，得到被采集對(duì)象全面的位置信息以及表面紋理數(shù)據(jù)信息，生成實(shí)景三維模型。本研究以河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為例，探索并實(shí)踐了基于無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)。

1無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

隨著無人機(jī)機(jī)載傳感器的不斷改良，無人機(jī)在測(cè)繪攝影功能上得到不斷強(qiáng)化，無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，無人機(jī)設(shè)備多樣化及成本也隨之降低，近些年，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國內(nèi)外測(cè)量領(lǐng)域中發(fā)展應(yīng)用起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，已成為攝影測(cè)量領(lǐng)域中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)測(cè)繪人工編輯工作量大，建筑物貼面紋理依靠人工地面拍攝影像，屬于勞動(dòng)密集型的工作場(chǎng)景，嚴(yán)重制約著智慧城市建設(shè)的效率，耗費(fèi)體力的同時(shí)降低了工作效率。

無人機(jī)攝影測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)繪相比有以下三大特點(diǎn)：高精度，高效率，低成本。三維建模的難度比二維數(shù)據(jù)要復(fù)雜的多，隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和三維建模算法的不斷優(yōu)化，數(shù)據(jù)獲取的方法越來越多，精度越來越高，分析各種三維建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)階段，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的重要性逐步提高，已成為是智慧城市三維建模的主要技術(shù)。

2無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集

目前常用的傾斜攝影無人機(jī)有大疆創(chuàng)新公司系列產(chǎn)品，如精靈PHANTOM4 RTK單鏡頭系統(tǒng)、M300 RTK搭載傾斜攝影五鏡頭系統(tǒng)、深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司飛馬智能航測(cè)F300固定翼無人機(jī)系統(tǒng)，成都縱橫自動(dòng)化技術(shù)股份有限公司CW-15垂直起降無人機(jī)系統(tǒng)等。以上三大系列涵蓋了多旋翼，固定翼、垂直起降等多種機(jī)型。

無人機(jī)傾斜攝影采集方式主要有三種：第一是使用像大疆創(chuàng)新精靈PHANTOM4 RTK版本，搭載單鏡頭無人機(jī)，數(shù)據(jù)采集需要按照五向或者“井”字形航線，在空中多角度重復(fù)飛行，適用于小范圍數(shù)據(jù)采集或者單體建模。第二種是使用搖擺或旋轉(zhuǎn)兩鏡頭，在采集區(qū)域飛行一個(gè)架次，多次多角度拍攝來采集數(shù)據(jù)，目前已逐步被五拼相機(jī)所代替。第三種使用無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)，同一位置采集五個(gè)方向數(shù)據(jù)，適用于大范圍數(shù)據(jù)采集，三種方式各有不同的應(yīng)用場(chǎng)合和優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)根據(jù)具體情況選擇。

3航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是傾斜攝影測(cè)量的重要環(huán)節(jié)，利用照片進(jìn)行三維重建是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取多角度的高分辨率測(cè)量影像數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景，超精細(xì)，實(shí)景三維的最真實(shí)還原。傾斜攝影建模采用高精度、高效率、一體化的自動(dòng)建模技術(shù)，建立測(cè)區(qū)三維模型。傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動(dòng)建模技術(shù)于一體。傾斜攝影實(shí)景三維建模軟件主要有包括了Pix4Dmapper、Smart3D、PhotoScan、街景工廠等，PhotoScan軟件較小，但是生成的模型紋理效果不是太理想，Smart3D三維模型效果最為理想，而且人工修復(fù)工作量較低。利用PhotoScan、Smart3D等相關(guān)軟件，在有無像控點(diǎn)的的情況下，能夠完成多視圖、多視角的三維重建，還原出最真實(shí)的三維場(chǎng)景。同時(shí)，利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件可以精準(zhǔn)測(cè)量被測(cè)對(duì)象三維模型的面積、高度、長(zhǎng)度、體積等數(shù)據(jù)。

4河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)景三維模型的建立

本項(xiàng)目的測(cè)量區(qū)域?yàn)楹颖睓C(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)，位于華北平原南部，學(xué)校所處區(qū)域地勢(shì)平坦，海拔落差不超過5米，學(xué)校最高建筑物為主樓，高度約為60米，其他主要建筑均不超過6層，校內(nèi)包括實(shí)訓(xùn)樓，教學(xué)樓，實(shí)習(xí)工廠，食堂，學(xué)生宿舍，田徑場(chǎng)、在建公寓樓等，占地總面積約為55萬平方米。

本項(xiàng)目無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集設(shè)備為精靈PHANTOM4 RTK，精靈Phantom4 RTK是大疆創(chuàng)新公司出品的小型多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī)，主要面向低空攝影測(cè)量應(yīng)用，具備高性能成像以及厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，攜帶使用方便，能夠全面提升航測(cè)效率。

5作業(yè)流程

參考標(biāo)準(zhǔn)《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規(guī)范》（GB/T15661-2008）對(duì)測(cè)區(qū)合理設(shè)計(jì)航線，確保目標(biāo)攝區(qū)被完全覆蓋。飛行高度根據(jù)周邊建筑高度以及模型分辨率而定。

第一步考察現(xiàn)場(chǎng)，航測(cè)作業(yè)前，綜合考慮無人機(jī)飛行參數(shù)，測(cè)區(qū)地形地貌、所需測(cè)量精度等因素，根據(jù)奧維地圖確定被測(cè)范圍，確定相控位置，建筑類模型布控以“米”字形進(jìn)行鋪設(shè)。

第二步航線規(guī)劃，飛控軟件規(guī)劃航線，無人機(jī)按照設(shè)計(jì)航線飛行，航高需要高于建筑物40-80米，確定為110米，航向重疊度以及旁向重疊度均設(shè)置為75%。實(shí)際工作中根據(jù)天氣實(shí)況、地物、地形情況以及參考曝光量，確保曝光量的準(zhǔn)確。

第三步實(shí)地作業(yè)，首先利用中海達(dá)手持RTK，進(jìn)行相控的鋪設(shè)，鋪設(shè)完相控，利用精靈PHANTOM4 RTK進(jìn)行航飛，拍照模式選擇等距間隔拍照，時(shí)間間隔為2s，邊距0m.根據(jù)航線規(guī)劃，飛行速度設(shè)為8m/s，分辨率為1.5cm。本次共獲得航片8572張。POS數(shù)據(jù)由無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集時(shí)生成，包括海拔、經(jīng)緯度、高度、飛行姿態(tài)等豐富的信息。

第四步數(shù)據(jù)處理，外業(yè)采集結(jié)束后，將采集回來的照片，相控?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)按照Smart3D軟件實(shí)景建模的相關(guān)技術(shù)流程，打開smart3D軟件，新工程-建項(xiàng)目（英文名稱），選擇文件保存的路徑，影像導(dǎo)入處理好的照片目錄：添加影像，添加整個(gè)目錄，檢查影像文件是否完全導(dǎo)入，點(diǎn)擊概要提交空三測(cè)量數(shù)據(jù)等待空三結(jié)果計(jì)算完畢后，查看3D視圖是否可以進(jìn)行建模。

6結(jié)語

通過河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)景三維模型，并且制定了規(guī)范的無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的教學(xué)項(xiàng)目，有效的指導(dǎo)了無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)航測(cè)應(yīng)用教學(xué)工作。提高專業(yè)師生的實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、標(biāo)繪、分析、內(nèi)容演示、模型優(yōu)化、三維全景展示、可視化管理平臺(tái)深度，助力智慧校園建設(shè)。

課題來源：河北省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：Z2018233。