常一萍 邱福濤 王洪 藍(lán)朝陽

摘要 傾斜攝影測量技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。該技術(shù)通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)面的高分辨率紋理。針對龍巖學(xué)院研究生公寓樓為代表的復(fù)雜高層不規(guī)則建筑物問題，運用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)獲取，并使用大疆Phantom4 RTK進(jìn)行傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集，通過DJI-Terra軟件處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測量并生成三維模型，最后利用Dp-Modeler軟件進(jìn)行單體化模型精修。

關(guān)鍵詞 DJI-Terra；傾斜攝影測量；Dp-Modeler

中圖分類號 TU198文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0016-03

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測量成為測繪領(lǐng)域新的趨勢和潮流[1]。無人機(jī)可以同時對多個角度進(jìn)行傾斜攝影，并利用專業(yè)的建模軟件建立三維實景模型，從而獲取地物、地貌等特征屬性，還可以將獲取的信息以圖片或影像等形式展現(xiàn)出來，便于后期對這些資料進(jìn)行研究分析，通過可視化三維處理技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)代化數(shù)字處理，創(chuàng)建以三維實景模型為基礎(chǔ)的智慧城市建設(shè)。

1 研究方法

針對高層建筑飛行補(bǔ)拍，對中間與后側(cè)復(fù)雜部分進(jìn)行補(bǔ)拍，如圖1所示。由于建筑物為復(fù)雜的高層建筑，因此，在外業(yè)飛行中采用了井字飛行和五向飛行兩種方式，后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用了Context Capture與大疆智圖兩種軟件來處理。利用兩種軟件處理五向與井字飛行，得出的結(jié)果是大疆智圖中五向飛行更適合后期的單體化模型精修，并采用Dp-Modeler模型精修軟件對龍巖學(xué)院研究生公寓樓復(fù)雜高層的單體化模型重建。

2 外業(yè)測量

2.1 航測范圍規(guī)劃

使用大疆Phantom 4 RTK固定翼無人機(jī)地面站，對龍巖學(xué)院研究生公寓樓進(jìn)行航測范圍規(guī)劃，新建工程選擇3D飛行，飛行高度70 m，返航高度100 m，航向重疊率70%，旁向重疊率60%，速度每秒9 m，對該范圍內(nèi)進(jìn)行了多視影像數(shù)據(jù)采集，總采集照片410張[2]。

2.2 無人機(jī)航測作業(yè)工作流程

根據(jù)指定航線及參數(shù)設(shè)置，無人機(jī)手動運行補(bǔ)拍，在航測過程中需要關(guān)注航測圖像及POS數(shù)據(jù)的監(jiān)測。通過云臺角度產(chǎn)生的圖像，可提供航測數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)信息有高度、航向、經(jīng)緯度等。補(bǔ)拍圖像及POS數(shù)據(jù)將在公寓樓中部及后部左右補(bǔ)拍航測工作結(jié)束后獲得。

2.3 增設(shè)像控點

該測區(qū)使用CGCS2000坐標(biāo)系、1985高程系統(tǒng)、高斯3度帶投影和中央子午線117度，飛行前在測區(qū)范圍內(nèi)找到相應(yīng)特征物的標(biāo)志以便于攝像控點。使用司南RTK均勻地在測區(qū)范圍四角布設(shè)10個像控點，為防止遺忘布設(shè)像控點的位置，在布設(shè)像控點的時候進(jìn)行拍照留存。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 航測數(shù)據(jù)處理方案

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的處理主要是利用外業(yè)收集到的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)成內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理圖像，而內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件非常多，該次航測后期分別采用的軟件是Context Capture與大疆智圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 Context Capture建模實驗

通過采集的照片計算出拍攝位置，空三計算是通過Master來完成。Engine是進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化計算而形成三維模型，Master是前端操作界面[3]，可通過Master導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行空三計算。

3.3 大疆智圖建模實驗

新建項目導(dǎo)入外業(yè)采集的自帶POS信息的所有照片（航線規(guī)劃及補(bǔ)拍影像共410），選擇輔助坐標(biāo)系為CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 117E（EPSG4548）。

3.3.1 空間三角測量計算

使用大疆Phantom4 RTK 無人機(jī)平臺為基礎(chǔ)采集航測數(shù)據(jù)，通過三維建模技術(shù)構(gòu)建了該飛行器飛行姿態(tài)與相機(jī)成像參數(shù)之間的映射關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的幾何模型，通過大疆智圖中空三計算步驟完成了該模型空三計算。

3.3.2 像控點管理與刺點

結(jié)束第一遍空三計算后，進(jìn)入像控點選擇坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM117 E（EPSG4548），導(dǎo)入外業(yè)采集的像控點坐標(biāo)（共計10個），將進(jìn)行手動刺點。刺點過程視圖中會出現(xiàn)藍(lán)色準(zhǔn)星代表像控點預(yù)測位置。進(jìn)行放大準(zhǔn)星，則選擇實際像控點位置進(jìn)行刺點。在進(jìn)行每張相片刺點時，會實時地更新像控點位置。為確保精度，每個像控點刺出6張圖片，最終選擇精度最準(zhǔn)確的5個點作為空三優(yōu)化像控點。

3.3.3 重建結(jié)果展示

導(dǎo)入航測數(shù)據(jù)后，對空三進(jìn)行計算與優(yōu)化，并選用空三XML文件，在像控點刺點后，選用高分辨率模型標(biāo)準(zhǔn)及OSGB、OBJ模型格式對三維重建模型進(jìn)行建模[4]。

3.3.4 兩套方案效果對比

通過Context Capture軟件構(gòu)建出的三維模型，無法識別補(bǔ)拍的照片且存在細(xì)小問題，故最終采用DJI Terra五向飛行模型進(jìn)行Dp-Modeler模型精修。

4 基于Dp-Modeler的三維建模流程

隨著實景三維模型的廣泛運用，模型場景修飾功能也將在眾多行業(yè)發(fā)揮重要的作用。具體精細(xì)化建模流程如圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1.1 工程建設(shè)流程

Dp-Modeler數(shù)據(jù)處理流程，打開DPSlnManager程序，設(shè)置解決方案路徑，然后影像→航空影像→導(dǎo)入影像打開大疆智圖空三XML文件，映射紋理路徑→無畸變影像存儲路徑，導(dǎo)入到Dp-Modeler工程，點擊Mesh→因為使用大疆智圖需要選擇大疆?dāng)?shù)據(jù)打勾再進(jìn)行下一步驟，導(dǎo)入OSGB與OBJ模型格式，設(shè)置偏移值選擇OSGB與OBJ文件中的XML文件，再導(dǎo)入OSGB與OBJ中的block文件，因大疆智圖與Context Capture中導(dǎo)出的文件格式不一樣，需要留意最后生成影像緩存。

4.1.2 Dp-Modeler進(jìn)行建模

開啟項目雙擊解決方案，界面上就會出現(xiàn)解決方案管理器、相機(jī)視圖、工具箱，以及一些常用工具欄，例如影像投影視圖、三維自由視圖、Mesh編輯視圖等。

相機(jī)視圖：是指當(dāng)測量點定位或建筑定位時，可以計算所有能看到測量點或建筑的攝像機(jī)，并將攝像機(jī)俯仰位置平放在相機(jī)視圖上，可分為正攝影像（判斷平面位置X、Y）和傾斜影像（判斷高程位置Z）。紫色點表示全景圖圖像，三角形表示地面近景圖像。在相機(jī)視圖上單擊任意點，圖像投影視圖自動出現(xiàn)點所對應(yīng)的圖像，點變?yōu)殚冱S色，并在該點處出現(xiàn)一個矩形方框顯示橘黃色投影線框，紅色三角形是聯(lián)動三維自由視圖，指當(dāng)前以基準(zhǔn)點為中心觀測模型方向，用于手動選取適合的影像輔助修改貼圖。當(dāng)三維自由視圖為頂視圖時，三角形會切換成圓形。黃色小點代表基準(zhǔn)點位置，影像顯示用于篩選影像類別，可全部顯示，亦可單獨顯示航空影像、全景影像、地面近景影像等。

Mesh視圖：Mesh視圖中加載OBJ格式Mesh模型，主要用于模型修飾，其中包含重置視角、燈光開啟關(guān)閉、撤銷與重做等，以及單體化模型加載與卸載背面裁剪。開啟此功能時，僅當(dāng)觀測Mesh正面時才加載模型，當(dāng)視角觀察Mesh模型以下時，Mesh模型不加載。完成白膜構(gòu)建時，可打開Mesh，觀察整個模型的整體輪廓以及部分細(xì)節(jié)模型結(jié)構(gòu)。

4.2 單體化制作

該文研究的是龍巖學(xué)院研究生公寓樓的三維模型，首先采用的是大疆智圖（DJI Terra）對外業(yè)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出整個公寓樓的三維模型。最后成圖發(fā)現(xiàn)，大疆智圖制作的三維模型存在破損和拉花的情況。為了對該公寓樓做一個完整的可視化三維模型，將對此三維模型進(jìn)行一個精細(xì)化的模型重建精修。該文采用的是Dp-Modeler制圖軟件制作該學(xué)生公寓的可視化實景三維模型。

4.3 細(xì)部結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建

4.3.1 內(nèi)部樓梯制作

由于該樓梯的制作需要較高要求，首先，確定樓梯的位置以及高度，其位置與高度要貼合實際的建筑圖，需在自由視圖中根據(jù)白膜以及原有的三維模型聯(lián)合確定位置高度信息[5]，并通過矩形工具將樓梯的寬度繪出。其次，擠出柱體到相應(yīng)高度，再使用等分四邊形對樓梯頂部與側(cè)面進(jìn)行等分面，然后對應(yīng)面之間擠出柱體。最后，完成樓梯的制作。再根據(jù)樓梯的位置，對外圍的欄桿進(jìn)行擠出柱體，完成樓梯與欄桿的鏤空制作。

4.3.2 屋頂鏤空

在進(jìn)行屋頂鏤空制作時因為樓頂上還有半層屋面，所以先擠出半層屋面，再進(jìn)行屋頂鏤空制作，由于鏤空處頂部有凹槽需要分步制作，首先制作出頂部外邊兩側(cè)，定好基準(zhǔn)面再分別繪制出頂部的范圍，再把基準(zhǔn)面定到需要擠出柱體的位置，之后進(jìn)行中間凹槽的部分制作，最后完成整個樓頂?shù)闹谱鳌?/p>

4.4 紋理映射

紋理映射分手動貼圖和自動紋理映射兩種，先使用自動紋理映射后使用手動貼圖對模型紋理進(jìn)行細(xì)化修改，要能夠準(zhǔn)確地反映出建筑物表面特征[6]。

4.5 單體化成果

通過大疆智圖得出的三維模型，由于整個模型存在破洞、拉花和部分結(jié)構(gòu)殘缺，于是采用Dp-Modeler進(jìn)行模型的重建修復(fù)。最后對建筑立面孔洞進(jìn)行補(bǔ)洞，紋理映射與手工貼圖，最后得出精細(xì)化建模后的三維模型結(jié)果。模型精度分析如下：由模型精修完成后可知，墻面平整，整體效果較好，將對模型精修前后進(jìn)行“模型量測距離”精度驗證，根據(jù)大疆智圖重建完成三維模型后采用標(biāo)注與測量工具對柱子、立面、屋頂?shù)冗M(jìn)行尺寸測量，得出數(shù)據(jù)與精修完成后的模型進(jìn)行尺寸精度對比，如表1所示。

數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，以大疆智圖三維模型數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，考慮到軟件生成模型會產(chǎn)生誤差，根據(jù)《三維模型規(guī)范》平面精度誤差在±20 cm，由表1可知三維航測模型的精修是真實可靠。

5 結(jié)論

隨著測繪技術(shù)日趨完善，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)更加有效地提高了工作效率，被廣泛運用。該文利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)對龍巖學(xué)院研究生公寓樓復(fù)雜高層進(jìn)行測量，應(yīng)用Context Capture與大疆智圖處理外業(yè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合Dp-Modeler軟件進(jìn)行手工建模，對公寓樓進(jìn)行實景三維模型構(gòu)建，總結(jié)得出一套對異形高層建筑物較為有效的解決方案，其主要優(yōu)點：

（1）相比傳統(tǒng)手工建模，自動化程度高，生產(chǎn)效率得到有效提高。

（2）通過Dp-Modeler中紋理映射貼圖真實紋理，結(jié)合手工貼圖的效果，使得建筑物模型讓人們感到更直觀更符合人眼視覺的真實世界，并充分地表現(xiàn)其細(xì)部特征，從而彌補(bǔ)了大疆智圖三維重建中的缺陷。

（3）根據(jù)傾斜攝影測量拍攝獲取的多源視角、高分辨率的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)模型與影像融合一體，使模型可以得到更準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并清除了單一數(shù)據(jù)多源視角、分辨率等方面的限制，在作業(yè)時大大地提升了建模的速度和效能。

參考文獻(xiàn)

[1]崔志然. 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在房地一體化項目中的應(yīng)用研究[D]. 西安：長安大學(xué)， 2020.

[2]胡軍杰， 趙青芬. 無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模精度評定及應(yīng)用[J]. 裝備制造技術(shù)， 2021（9）： 39-41.

[3]姜如波. 基于傾斜攝影和近景攝影技術(shù)的實景三維模型制作[J]. 城市勘測， 2018（3）： 95-98.

[4]張慧瑩， 董春來， 王繼剛， 等. 基于Context Capture的無人機(jī)傾斜攝影三維建模實踐與分析[J]. 測繪通報， 2019（S1）： 266-269.

[5]張光祖. 城市建成區(qū)高精度三維實景模型建模技術(shù)研究[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)， 2020.

[6]楊珍. 基于Dp-Modeler的建筑物三維建模[J]. 測繪與空間地理信息， 2019（7）： 11-13+21.