无人机航拍技术在三维建模上的应用

黎富忠

（广西水利电力勘测设计研究院，南宁 530023）

无人机航拍技术在三维建模上的应用

黎富忠

（广西水利电力勘测设计研究院，南宁 530023）

以驮英水库三维地形模型的制作为例，介绍了无人机低空航拍在地形图测绘和三维模型制作中的应用技术。根据地形图的地物、特征线的坐标和高程制作TIN模型的基础上，叠加无人机拍摄航片制作地面立体三维模型，既能满足工程设计要求，又能展示三维可视化立体效果。

无人飞机；航拍；三维模型；驮英水库

1 概述

三维设计经过多年来的发展，已在各行业中广泛使用，其中MicroStation三维软件是国际领先的二维和三维CAD一体的设计软件。在工程设计越来越激烈的市场竞争中，随着人们对视觉要求的不断提高，对产品的质量也提出了更高的要求，不仅需要满足工程设计需求，提高设计的效率，同时又需要增加三维展示地面地物的贴图渲染，以达到工程设计和产品展示的三维视觉双重效果，以提高市场竞争力。近年来，随着测绘科技的发展，遥控无人飞机低空航空摄影测绘技术的日趋成熟，在测绘中具有非常重要的作用，无人飞机航测通常低空飞行，受气候条件影响较小，系统携带的数字彩色航摄相机等设备可快速获取地表信息，获取超高分辨率数字影像和高精度定位数据，拍摄影像清晰、分辨率高、现势性好[1]，用于地形图测绘和制作三维模型效果良好。

2 应用案例

2.1 工程概况

驮英水库位于左江一级支流明江上的二级支流公安河上，为广西左江治旱工程驮英灌区重要的新建水源工程，地处宁明县那堪乡垌中村蒲城屯，距离宁明县城115km，库区上游有两大支流，分别为驮英河和评批江，两河汇合于上坝址上游约2km处。水库形状呈“Y”字形，两岸山势陡峭，河流狭窄，属峡谷型水库，水库工程由拦河坝、溢洪道、灌溉与发电引水系统、电站厂房及开关站等建筑物和库区组成。根据需要我们针对该工程坝址区域进行三维模型制作。

三维数字地形图模型将以往采用的二维地形图提升到了三维空间的高度，打破了空间的限制，从更高的角度去表达和分析现实世界，表达了各实物之间的空间架构，而且三维数字地形图所显示的点和线都是三维的，因此用户能够很明确的查看两点之间的折线长度；也能够在地图上查询某地的平面和三维坐标；在模型上任一方向的纵向横向断面图也可以很清晰的剖切出来；另外，两个地点之间的水平、空间方位角，水平、纵向距离、坡度等数据的计算统计和查询分析都会变得非常方便[2]。

2.2 三维模型制作

2.2.1 方案的比较

根据地形图建立DTM地面数字高程模型，采用不规则三角网TIN约束生成地形，由于TIN模型具有精度高、速度快、效率高、容易处理断裂线和地物特征等特点，所以我们采用TIN制作三维模型，在此模型上进行三维建模贴图渲染，对贴图渲染我们提出了3个方案：①采用相机实地拍细部照片；②采用Google地图影像、高空卫片；③采用无人飞机低空拍摄。

我们对上述3个方案进行小面积试验发现：

（1）方案1，到现场实拍困难，山高路陡，很不方便，外业工作强度高，而且相片纠正工作量大、难。

表1 各个方案优缺点对照表

（2）方案2的航片、卫片比较旧，地面很多地物都未见标注，而且由于航线高，拍摄的航片清晰度不太理想，现势性也较差，制作的三维模型效果较差。

（3）方案3无人飞机拍摄的航片，不仅现势性好，地面新建地物都能如实反映，而且是低空飞行航拍，清晰度高，根据像控点和主要地物纠正后坐标吻合，而且大幅减少外业作业时间和工作强度、减少外业数据采集的人力物力投入，提高了工作效率，为项目工期进度提供了保障。

经过最后分析讨论，综合上述优缺点考虑，方案3试验效果最好，最终采用方案3。

2.2.2 方案实施

（1）高程点、等高线等属性值错误检查处理。通过MicroStation三维软件形成前视图、侧视图、环视图旋转等，找出高程属性有问题的地方，然后使用“特性”工具栏修改其属性值，解决了二维CAD绘图中难以发现等高线赋值错误、高程点Z值与注记不一致的问题；再使用《二维地物线三维化》成果把二维线批量转换为三维多段线，对陡坎、悬崖、道路、水系、居民地等地物和特征线分别进行处理，达到MicroStation软件格式需求。

图1 三维视图

（2）TIN模型制作。措施：根据地形图点高程、等高线和特征线使用GEOPAK模块生成DAT文件与TIN文件，然后对TIN文件进行编辑修改，把处理好TIN文件渲染形成无材质贴图的三维地面模型，以颜色区分（如图2），山沟、道路、河流等分色显示。

图2 无材质渲染图

（3）对航片影像进行纠正拼接，建立TIN三维地面模型并叠加合成航片后的三维效果。采用Descartes模块中的功能根据像控点和主要地物进行多点坐标纠正和拼接合成，再打开TIN文件，选择合成的影像作为材质文件，然后贴图渲染出模型，能显示出地面高程起伏地形变化，同时也能展示身临其境的视觉效果（见图3）。

图3 叠加效果图

在该三维模型中，可在任意位置画断面线（见图4），即刻绘出断面图，方便断面数据的获取和修改，可作为其它专业三维设计的基础。

从图5可看出，传统二维设计断面线（黑色）和三维模型设计断面线（红色）对比，两线重叠，从表2断面数据表中数据对比，发现误差很小，确认效果满足工程设计精度要求。

图4 任意位置切断面图

图5 二维设计与三维设计断面图对比图

3 结语

利用当前先进的测绘技术，能更高效率地完成大面积库区测绘、渠道前期选线等测绘任务，明显降低生产成本和外业强度，缩短成图周期，同时，低空航拍的影像清晰、分辨率高、现势性强，用于制作三维模型时更加形象逼真。设计人员通过模型的仿真分析，为工程设计方案的可行性与可靠性评价提供帮助。无人机测绘是遥感领域用于地形测绘的新兴技术，使用成本低、反应速度快、易于移动转场，对复杂的野外测绘环境有很好的适应力，不仅可以完成传统飞机的航摄任务，而且可以进入传统手段无法覆盖到的领域[1]。它机身小巧、结构简单，由人工遥控器送飞，地面工作站操控自主飞行拍摄，可灵活应对整个航摄工作。

表2 二维设计与三维设计断面数据对比

[1] 胡晓曦，李永树.无人机低空数码航测与高分辨卫星遥感测图精度试验分析[J].测绘工程，2010，19（4）：68-70

[2] 倪冬兰，左文平.基于地形图的三维地形图的研究[J].城市勘测.2011，8（4）：13-16

（责任编辑：刘征湛）

Application of UAV aerial photography in 3D modeling

LI Fu-zhong
（Guangxi Water and Power Design Institute,Nanning 530023,China）

Taking the topographical 3D modeling for Tuoying Reservoir Project as example,an introduction was made on the application of low-altitude UAV aerial photography in topographical map survey and 3D modeling.TIN model is set up according to the coordinates and elevations of surface features and characteristic lines,then the aerial photography taken with UAV is superimposed to make a ground 3D model,which not only meets the requirements of engineering design,but also visualizes the 3D effects.

Unmanned aerial vehicle（UAV）;aerial photography;3D model;Tuoying Reservoir

P236

B

1003-1510（2016）04-0021-03

2016-04-12

黎富忠（1982-），男，广西横县人，广西水利电力勘测设计研究院工程师，学士，主要从事水利电力勘测设计工作。