何衛(wèi)紅

(淮北礦業(yè)股份有限公司楊柳煤礦，安徽 淮北 235119)

0 引言

近年來，航空攝影測量技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)日漸成熟，在日常測繪及大比例尺地形圖測繪中展現(xiàn)出非常重要的作用。隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，航空傾斜攝影技術(shù)也迎來了前所未有的發(fā)展，而實(shí)景三維建模是傾斜攝影最重要的應(yīng)用方向。但是針對小面積的三維高清實(shí)景建模，利用專業(yè)航拍建模工程量大，費(fèi)用高。本文重點(diǎn)闡述消費(fèi)級無人機(jī)搭臺(tái)的云臺(tái)單攝像頭代替專業(yè)級多攝像頭實(shí)現(xiàn)多角度傾斜攝影，利用ContextCapture軟件自動(dòng)從影像數(shù)據(jù)資料中迅速提取地面建筑物的空間相對位置、房屋建筑結(jié)構(gòu)、色調(diào)與紋理表面信息等，迅速自動(dòng)構(gòu)建城市真實(shí)場景的三維空間模型，用戶可實(shí)現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，全方位直觀地從三維模型上查看房屋、河流、路面等詳細(xì)的真實(shí)紋理細(xì)節(jié)，填補(bǔ)了正射影像在空間數(shù)據(jù)方面的不足。

消費(fèi)級無人機(jī)實(shí)現(xiàn)三維建模是利用在遙控器中自動(dòng)設(shè)置航線，無人機(jī)將自動(dòng)從不同的角度按規(guī)定的航線定時(shí)自動(dòng)觀測同一段地物。由于消費(fèi)級無人機(jī)飛行高度低，影像資料紋理細(xì)節(jié)更加豐富、真實(shí)，該項(xiàng)技術(shù)將是未來小范圍迅速建模的主流方向。

本文以淮北市楊柳煤礦工業(yè)廣場附近部分區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)，開展了利用普通消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立礦區(qū)工業(yè)廣場三維實(shí)景建模，總結(jié)了建模的技術(shù)要點(diǎn)和流程，并對建模過程中需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 區(qū)域概況

楊柳煤礦位于安徽省淮北市濉溪縣境內(nèi)，井田范圍南北走向長8.8 km，東西寬9 km，礦區(qū)面積為60 km2。本應(yīng)用范圍為礦區(qū)工業(yè)廣場附近，飛行范圍內(nèi)總體視野開闊，地勢較為平坦，建筑物為一般高層，最高25 m左右。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

2.1 基本原理

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是在無人機(jī)搭載的可自動(dòng)調(diào)節(jié)角度的攝像頭實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，具有價(jià)格低、靈巧方便、不受空間高度限制、影像數(shù)據(jù)獲取快的特點(diǎn)，特別是在小區(qū)域內(nèi)低空獲取高分辨率影像資料比專業(yè)的設(shè)備更具優(yōu)勢。該項(xiàng)技術(shù)是近幾年隨著消費(fèi)級無人機(jī)的普及而興起的一門測繪技術(shù)。它通過在無人機(jī)上搭載云臺(tái)高清攝像頭，在規(guī)定設(shè)置的航線內(nèi)全自動(dòng)從空中垂直向下、傾斜多角度等不同角度定時(shí)拍攝，從而自動(dòng)獲取一套高清晰影像資料。為便于后期軟件對影像資料進(jìn)行處理，拍攝影像資料時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄照片的曝光時(shí)間、拍照平面位置、飛行高度、飛行姿態(tài)等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將消費(fèi)級無人機(jī)的自動(dòng)云臺(tái)攝像頭與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合，與傳統(tǒng)的搭載多臺(tái)傳感器(專業(yè)常用的5個(gè)攝像頭的相機(jī))無人機(jī)比較，成本更低、效率更快，是構(gòu)建城市實(shí)景三維模型的新型方式。

2.2 高清傾斜數(shù)據(jù)獲取

高清照片獲取是利用無人機(jī)搭載高清相機(jī)利用傾斜攝影功能完成的，本文講述大疆御2pro無人機(jī)在開發(fā)者選項(xiàng)中開啟dji pilot界面模式利用傾斜攝影的功能實(shí)現(xiàn)。

該無人機(jī)是2018年發(fā)布的一款消費(fèi)級航拍無人機(jī)，其最大續(xù)航里程達(dá)10 km，最大飛行速度68 km/h(S檔模式)，最大傾斜角度35°(S檔模式)。相機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 相機(jī)參數(shù)

2.3 航線設(shè)置

在大疆無人機(jī)遙控器里設(shè)置航線，為保證建筑物紋理清晰及精度，在工業(yè)廣場上方采用不同方向重疊航攝，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影航線設(shè)置圖

本例自動(dòng)設(shè)置5條航線，重疊率均為80%，每條航線自動(dòng)定時(shí)拍照238張照片左右，面積約11萬m2，飛行高度設(shè)置超過最高建筑物30～50 m，飛行速度設(shè)置最大模式。無人機(jī)按航線設(shè)置順序，自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)完成影像照片數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，全部完成后將照片導(dǎo)出即可進(jìn)行三維實(shí)景建模。

3 楊柳煤礦工業(yè)廣場三維建模

本文利用軟件ContextCapture，即Smart3D，這是目前常用的自動(dòng)化程度較高的一款三維建模的軟件，無須人工過多干預(yù)即可將利用無人機(jī)多角度獲取的影像資料自動(dòng)處理，通過計(jì)算機(jī)的圖形計(jì)算，生成高密度的點(diǎn)云，構(gòu)建大量格網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上生成高分辨率的具有真實(shí)紋理的三維場景模型。

3.1 生成的實(shí)景三維模型的優(yōu)點(diǎn)

1)真實(shí)紋理反映建筑物。實(shí)景三維模型的建立打破了傳統(tǒng)工業(yè)工廠平面圖及正攝航拍無法描述地物立體形狀與表面真實(shí)紋理細(xì)節(jié)的限制，讓用戶可以從不同視角瀏覽同一地物，可最大限度還原工業(yè)廣場周邊地物樣貌，與傳統(tǒng)三維建模比較，目視效果更加逼真。

2)可量測數(shù)據(jù)。在生成的三維模型過程中對已知地面特征點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，輸入地面坐標(biāo)、高程，輸出模型成果可進(jìn)行地物長、寬、高、角度、面積、體積等信息量測。

3)建模速度快、效率高，能在短時(shí)間內(nèi)獲取高清模型數(shù)據(jù)，在工程規(guī)劃，消防救災(zāi)、災(zāi)害評估等得到廣泛應(yīng)用。

3.2 技術(shù)流程

ContextCapture軟件進(jìn)行三維建模的主要技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影三維建?；玖鞒?/p>

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為保證建模效果，模型制作前對無人機(jī)獲取的影像資料進(jìn)行檢查，包括影像的質(zhì)量、格式、重疊度，同時(shí)對影像的色彩進(jìn)行檢查，確保光線均勻，色調(diào)一致，不出現(xiàn)局部偏色等情況，對無人機(jī)拍攝不合格照片進(jìn)行適當(dāng)去除，提高計(jì)算效率，保證模型生成最終效果。

3.4 模型生成

在ContextCapture軟件中新建工程，導(dǎo)入無人機(jī)拍攝的影像資料，初步自檢完畢，進(jìn)行空三測量，傾斜攝影空三運(yùn)算是實(shí)景三維建模的非常重要的一步，因多個(gè)視角的照片需要考慮影像的畸變及部分拍照視線的遮擋的因素，該軟件的空三平差處理是將上傳的影像資料中正攝(正片)及傾斜攝影(斜片)集中進(jìn)行混合平差，軟件自動(dòng)選擇不同視角內(nèi)最優(yōu)模型生成高密度的點(diǎn)云，構(gòu)建三維空間信息，獲得最佳效果的紋理。同時(shí)在定位和地理參考選項(xiàng)中通過像控點(diǎn)輸入坐標(biāo)位置。最后提交空進(jìn)行任務(wù)處理，在3D視圖中查看生成的三維模型成果，如圖3所示。

圖3 楊柳煤礦工業(yè)廣場附近實(shí)景三維模型圖

通過在Acute 3D Viewer軟件中觀察生成的三維模型場景中地物的空間位置、形狀、顏色、外觀等與實(shí)際環(huán)境一致，各地物單位之間銜接流暢完整，建筑物輪廓清晰，各面紋理完整，與實(shí)際情況相符，細(xì)節(jié)較好地表現(xiàn)出來，但是大門玻璃頂棚下部區(qū)域等視線遮擋部分的形狀、輪廓出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)部分空洞現(xiàn)象，說明在玻璃這種缺少紋理特征又表面光滑的地方會(huì)無法匹配特征點(diǎn)，而產(chǎn)生模型效果差的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型與傳統(tǒng)的搭載多鏡頭的專業(yè)無人機(jī)的建模方式相比，有著傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取較快、成本低廉和高場景逼真度、真實(shí)紋理等諸多優(yōu)點(diǎn)。它的應(yīng)用填補(bǔ)了煤礦工業(yè)廣場在平面圖及航拍正攝投影在空間框架數(shù)據(jù)上的不足，提供了一種新的解決思路，成為航空攝影中一個(gè)新的發(fā)展方向，相信在未來會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。

但是該種建模成果還存在一定的不足:①對于攝影死角、地面路燈、供電線路等截面過小的地物，以及河流水面、玻璃等光滑表面又缺少紋理特征，會(huì)因特征點(diǎn)匹配較少而造成模型部分失真、空洞。②最終模型效果過度依賴于無人機(jī)攝像性能，對無人機(jī)攝像質(zhì)量及拍照的天氣成像要求很高。③由于拍照優(yōu)選高清質(zhì)量照片，影像數(shù)據(jù)量較大，對模型修改和后期應(yīng)用都帶來了諸多不便。