李一民

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

傾斜攝影測量是國際測繪遙感領(lǐng)域的一項(xiàng)新興高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影、近景攝影測量、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，打破了傳統(tǒng)航空攝影測量只能從垂直角度拍攝正射影像獲取空間坐標(biāo)和頂面信息的局限，可以從多角度獲取地面物體影像以及精細(xì)側(cè)面紋理信息[1]。隨著無人機(jī)航測技術(shù)的日益成熟，計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于無人機(jī)的傾斜攝影測量三維重建技術(shù)正在朝低成本、高精度、高效率的方向發(fā)展[2]。

1 傾斜攝影測量三維重建技術(shù)原理

傾斜攝影測量三維重建技術(shù)的工作原理是通過在無人機(jī)飛行平臺上搭載傾斜相機(jī)，同時(shí)從垂直、前視、后視、左視、右視五個(gè)不同角度獲取高分辨率影像的攝影測量技術(shù)。拍攝影像的同時(shí)GPS 模塊和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）會記錄影像拍攝點(diǎn)的位置信息和姿態(tài)參數(shù)，從而獲得地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，再通過高效自動化傾斜攝影三維建模軟件Contextcapture 分析處理采集的影像數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建具有準(zhǔn)確地理位置信息的實(shí)景三維模型[3]。

2 傾斜攝影測量三維重建技術(shù)路線

2.1 外業(yè)技術(shù)路線

圖1 外業(yè)技術(shù)路線

2.2 內(nèi)業(yè)技術(shù)路線

具體如圖2 所示。

圖2 內(nèi)業(yè)技術(shù)路線

3 校園建筑三維重建項(xiàng)目實(shí)施

3.1 項(xiàng)目概況

3.1.1 項(xiàng)目內(nèi)容

本項(xiàng)目選取了南京財(cái)經(jīng)大學(xué)“帆船”體育館作為研究對象，使用大疆精靈4A 無人機(jī)以及大疆Air2s 無人機(jī)分別對目標(biāo)建筑從上方和四個(gè)側(cè)面進(jìn)行航飛傾斜攝影，對拍攝所得的影像質(zhì)量進(jìn)行檢查，再用Contextcapture、Pix4D、大疆智圖等建模軟件對拍攝所得的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理生成三維重建模型產(chǎn)品。

3.1.2 項(xiàng)目成員

本項(xiàng)目小組成員共5 人，其中記錄員1 人負(fù)責(zé)記錄無人機(jī)傾斜攝影日志，測量員1 人負(fù)責(zé)測量建筑實(shí)際高度，飛手1 人負(fù)責(zé)無人機(jī)的操控以及傾斜影像采集工作，安全員2 人負(fù)責(zé)無人機(jī)設(shè)備及相機(jī)的飛行前檢查以及無人機(jī)飛行過程中安全保障工作。

3.2 航測外業(yè)設(shè)計(jì)

3.2.1 測區(qū)概況

南京財(cái)經(jīng)大學(xué)“帆船”體育館，位于仙林校區(qū)西側(cè)，總建筑面積17598m2,建筑用地面積10968m2，建筑頂部呈波浪形，分為地上和地下兩層，周圍無較多無線電設(shè)備、電線桿及樹木，有利于項(xiàng)目的順利進(jìn)行，測區(qū)概貌如圖3 所示。

圖3 測區(qū)概貌

3.2.2 航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

外業(yè)航線設(shè)計(jì)是制作高質(zhì)量三維重建模型的關(guān)鍵航線，需要根據(jù)測區(qū)的地形地貌來進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須為內(nèi)業(yè)正射影像的制作提供高重疊率。本項(xiàng)目主體研究對象為南京財(cái)經(jīng)大學(xué)西苑“帆船”體育館，體育館面積較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了獲取更多建筑影像細(xì)節(jié)，航線設(shè)計(jì)在普通S 型航線航飛傾斜攝影的基礎(chǔ)上，融入了貼近攝影測量、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影、全方位航線傾斜攝影[4]。

3.2.3 飛行前檢查

1.設(shè)備檢查：無人機(jī)開始作業(yè)前做好所有設(shè)備檢測，如：SD 卡是否能正常使用，云臺相機(jī)是否粘灰，云臺是否能正常變換角度等。

2.導(dǎo)航系統(tǒng)：全部航攝飛行流程都需要影像點(diǎn)的GPS 信息，獲取正射影像時(shí)需要采用GPS 系統(tǒng)導(dǎo)航自動采集影像。飛行中經(jīng)常檢查GPS 導(dǎo)航儀的工作狀況，防止因?yàn)榻ㄖ趽酢⒋艌龈蓴_等造成GPS 失效。

3.航高：按照設(shè)計(jì)航高飛行，同一航線相鄰相片的航高差不得大于20m，實(shí)際航高與設(shè)計(jì)航高之差小于設(shè)計(jì)航高的5%。

3.2.4 航拍影像質(zhì)量控制

1.影像的曝光不足、影像的重影、散焦和噪點(diǎn)，將嚴(yán)重影響三維建模產(chǎn)品的質(zhì)量，在外出作業(yè)時(shí)提前看好天氣預(yù)報(bào)，在多云天氣拍攝比晴天拍攝效果更好。本項(xiàng)目影像采集時(shí)間安排在下午一點(diǎn)至四點(diǎn)，確保影像陰影區(qū)域變化最小化。

2.拍攝前調(diào)整并使用最合適的快門、光圈、ISO 值。在整個(gè)項(xiàng)目中始終使用相同的焦距，保持光照基本恒定，陰影區(qū)域變化最小化，避免拍攝模糊照片、使用閃光燈、光學(xué)防抖，對拍攝好的照片不要進(jìn)行任何的編輯。

3.2.5 航測影像獲取

為了獲取更多“帆船”體育館影像細(xì)節(jié)，提高后期內(nèi)業(yè)模型精度，本項(xiàng)目的航線設(shè)計(jì)在普通S 型航線航飛傾斜攝影的基礎(chǔ)上，融入了貼近攝影、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影、全方位航線傾斜攝影。本項(xiàng)目對“帆船”體育館共采集航測影像1511 張，刪除模糊影像20 張。在距離“帆船”體育館最高點(diǎn)10m 處，通過普通S 型航線、網(wǎng)帶式航線傾斜攝影獲取“帆船”體育館的正射影像220 張，傾斜影像220 張，在“帆船”體育館四周采用貼近攝影、全方位航線傾斜攝影的方式捕捉更多建筑細(xì)節(jié)，獲取影像1051 張。

3.3 航測內(nèi)業(yè)生產(chǎn)

3.3.1 ContextCapture 工程創(chuàng)建

打開Context-Capture 軟件，在選擇的主頁面上點(diǎn)擊新工程，新建一個(gè)工程，編輯工程名稱（工程名稱不能為中文），再選擇工程文件位置，點(diǎn)擊確認(rèn)即可完成過程創(chuàng)建。

3.3.2 傾斜攝影影像導(dǎo)入

在新建一個(gè)工程以后，Context-Capture 軟件會自動產(chǎn)生一個(gè)空白區(qū)塊Block1，點(diǎn)擊影像板塊，添加影像，選擇傾斜攝影影像所在的文件夾導(dǎo)入全部影像即可。由于大疆無人機(jī)所拍攝的傾斜攝影影像都是自帶POS信息，因此導(dǎo)入影像后也可以直接獲取影像的POS 信息，無需再次導(dǎo)入影像POS 文件。

3.3.3 空中三角測量

導(dǎo)入數(shù)據(jù)后確認(rèn)無誤以后，在概要板塊中右側(cè)點(diǎn)擊提交空中三角測量，如果提交一次空中三角測量之后，影像太多不能用于三維重建，可以再提交一次空中三角測量。提交完成之后，軟件將自動進(jìn)行提取特征點(diǎn)、多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、點(diǎn)云構(gòu)建等流程，空中三角測量完成之后，得到測區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。

3.3.4 三維重建模型生產(chǎn)

在構(gòu)建模型的過程中，軟件會自動生成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建不同層次的不規(guī)則三角網(wǎng)，同時(shí)還得到了帶有白模的三維模型[6]。因?yàn)槊繌堄跋穸季哂芯_的位置信息，軟件可以依據(jù)這些信息計(jì)算出每個(gè)三角網(wǎng)所對應(yīng)的影像中的位置，然后將紋理信息與三維 TIN 模型進(jìn)行配準(zhǔn)，最后進(jìn)行紋理影像反投影實(shí)現(xiàn)紋理貼附，最終完成“帆船”體育館三維重建模型的構(gòu)建。測區(qū)局部區(qū)域的三維城市景觀模型成果如圖4 所示。

圖4 測區(qū)三維重建實(shí)景模型

4 精度評定

本項(xiàng)目選取了多個(gè)檢查點(diǎn)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)對比檢查取均值求得本次空三精度平面最大誤差0.03m，高程最大誤差0.04m，均在規(guī)定的限差內(nèi)，所以三維重建模型的精度是可以滿足1：500 地形圖精度要求的。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的地理信息獲取工作一般是通過人工測量的方式進(jìn)行，具有工作成本高、精度低、效率低等問題。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測量以其低成本、高精度、高效率的優(yōu)勢可以在校園規(guī)劃中獲得一席之地。