无人机倾斜摄影用于江门市快速三维建模的探讨

丁志广，严新生，陈辉光

（江门市勘测院有限公司，广东江门 529000）

无人机倾斜摄影用于江门市快速三维建模的探讨

丁志广*，严新生，陈辉光

（江门市勘测院有限公司，广东江门 529000）

在江门市某区域快速建模生成中，利用无人机通过倾斜摄影测量技术及相关快速建模的方法用于城市三维快速建模生产。本文总结了一套快捷高效的适合于实际生产操作的技术方案，该技术方案切合实际，能显著提高生产效率。特别是对于中小范围的城市三维建模，能有效地实现速度和逼真度的兼顾，显示其优越性。

倾斜摄影测量；无人机；快速三维建模

1　引 言

构建城市建筑三维模型用于城市规划，是目前数字城市和智慧城市的建设热点之一［1］，一般是基于DLG和DOM，人工拍摄建筑立面，然后通过3ds Max、Skech Up等软件构建三维模型，最终导入到各种三维平台中，然后广泛用于城市规划和城市管理［2］。然而，该模式存在一些问题:如人工建模成本高，建设效率低，一般只有0.01 km2/d。为此，国内外尝试了多种方法来提高建模效率，大多数是利用大型飞机进行倾斜摄影［3］。根据国内外的经验［4～7］，我们探索出固定翼油动无人机搭载5镜头微单数码相机进行倾斜摄影试验，并利用Smart 3d等软件进行了快速建模，适合在城市中小范围建模，相比传统大型飞机，可有效节约成本，减少作业周期。

2　试验设计

航空摄影的关键三要素:飞行平台、传感器、飞行控制（飞手和飞控）。其中，飞行平台要根据飞行任务考虑经济与效益等综合因素来选择，传感器要考虑相机重量和成像效果及成像效率来综合选择。

2.1飞行平台

经过多方比对和多次试验，我们最终选用了固定翼油动力无人机作为飞行平台，翼展 3 m，自身重量15 kg，最大起飞重量23 kg。该平台的优势有:①飞行时间长，最长可以飞7个小时；②起飞距离短，对起降场地要求不苛刻，适合在城市郊区的公路上起降；③搭载重量适合本次任务，比一般的电动无人机和多旋翼无人机携带重量多。相关参数如表1所示。

飞机相关参数　表1

2.2传感器

传感器的选择有很多种，根据画幅大小及传感器感光元件大小以及镜头的焦距，来选择传感器。经过多次比对，最终采用了适马DP2 merril相机进行试验，并选用5拼相机的组合进行试验，如图1所示。

图1　适马DP2 merril相机及五拼架构

相机参数如表2所示:

相机参数表　表2

2.3航高设计

根据传感器的感光元件大小及传感器焦距，根据摄影测量原理来反算航高，过程如下:

假设地面分辨率为95 mm，已知传感器感光元件尺寸为24 mm×16 mm，焦距为30 mm，航高=（地面分辨率/传感器分辨率）×焦距。即:H=（GSD/B）×f。

GSD:地面分辨率，单位m；B:CCD或CMOS分解率，单位mm；f:镜头焦距；单位mm。

综上:H=（0.095/0.0051）×30=558.8 m。综合考虑地面分辨率，航向及旁向重叠度，并根据城市实际地形特征及地面最高建筑物高度，确定560 m的航高是满足实验需要，且兼顾飞行安全可靠。

2.4拍摄要求

为保证建模效果，一般要求航向重叠＞80%，旁向重叠＞50%。建模对象的每个部分至少在三张单独的照片中出现，且这三张照片必须是三个不同的视角拍摄，其中视角小于15°，即物体的同一部分的不同拍摄点间的分隔应小于15°。另外，拍摄过程中需确保连续照片之间的重叠部分应超过65%。

3　试验实施

试验区面积约4 km2，位于江门市北新区，区内有江沙河、小型丘陵、工业厂房、江门市汽车总站，有商业写字楼和小高层居民小区，还有城中村低矮建筑群，兼具城市和城市郊区特色，经验可同时供城市及郊区进行三维快速建模时借鉴。

试验区飞行时间约30 min，共采集了598张图像，其中有80张图像因云覆盖图像面积超过相片面积的50%，故在试验中并未采用，最终参与试验的图像为518张。

实验实施的主要流程及主要工作内容如图2所示:

图2　生产详细流程图

其中关键步骤航线设计分两次独立设计，可以做互相检核和参考。具体参数如图3、图4所示。

图3　航线设计1

图4　航线设计2（验证）

4　试验结果

4.1建模效果

三维建模基本是全自动建模，建模成功后可得到测区的TIN模型、未贴纹理的灰度三维模型、贴图后的实景三维模型等。结果如图5～图10所示。

4.2无人机用于快速建模的优越性

（1）速度快，效率高

传统人工三维建模的效率约为 0.013 km2/d，而无人机倾斜摄影快速三维建模约2 km2/d。

图5　TIN+灰度模型

图6　贴纹理后的实景三维模型

图7　测区某部细节实景三维

图8　测区某部细节TIN+灰度模型

图9　测区某栋建筑的TIN+灰度模型

图10　测区某栋建筑的实景三维模型

（2）更好的表达建筑结构

传统三维建模为了追求细节与效率的平衡，一般会将建筑物的复杂设计结构简单化，如裁弯取直（弧形变直线）、凹凸简化（阳台错落简化成同样风格的阳台）、地物取舍（如停车场变为空地，或增加模型汽车，丢失细节）。而利用倾斜影像可以真实的记录下航空摄影时间时的城市影像，将城市定格在摄影时间内。建模效果如图11、图12所示。

对比图11和图12，发现模型基本构建完成，尤其是该栋楼房的北侧右边的建筑设计比较复杂，楼层之间的阳台错落有致，但是又不尽相同，用传统建模方法构建该类型建筑，需要耗费大量人力去测量建筑形态，否则很难表达出该栋建筑的形态。

通过图11、图12可以发现，楼顶的建筑部件也一并建立了模型，而传统三维建模一般是忽略楼顶的模型和色彩的，在无意中会丢失很多建筑细节。

图11　模型东北侧快速建模效果

图12　模型东北侧实际照片

4.3存在问题

在试验过程中，我们也发现无人机快速构建城市三维模型也存在一些问题。具体表现如下:

①地面至15 m高度，三维建模效果较差。

②植被及树荫下遮盖部分建模效果较差。

③大面积水体可能会有空洞。

（1）原因查找及分析

①地面至15 m高度，效果一般不理想，人视角度观感较差。可能的影响原因有:倾斜摄影飞行高度一般都在200 m以上，倾斜角度在45°左右，由于城区建筑物较密集，到了建筑物底部刚好被相邻的高楼或树木遮挡，如图13所示。基本看不全甚至看不到建筑物15 m以下的部分，这就造成近地面部分往往达不到构建倾斜摄影三维模型所需的足够数量和质量的照片。

②植被建模效果差，原理同上，南方多常绿乔木，遮蔽比较严重，且植被的建模要比建筑物几何结构复杂很多，故更难构建较好的三维植被模型。

③水面空洞是由于水面进行同名点匹配是航空摄影测量的公认难题，没有足够的匹配点，水面往往有空洞或突起，需要人工编辑。

（2）解决思路及尝试

①针对问题①和②，尝试使用了地面辅助拍摄，在地面补拍一定数量的照片，增加近地面构筑物建模的建模条件，改善其质量。经过笔者几次尝试，可能是由于采用的相机不同，焦距不同，也可能是地面采用手持拍摄，重叠度得不到比较好的保证，最终没能通过地面补拍照片的方式改善建筑物近地面的建模质量。

②针对水面进行建模的缺陷，笔者采用AutoCAD 3DMESH辅助软件进行人工编辑，与编辑DEM方法类似，首先找出模型的分块存储的TIN文件，将其复制一份后，将明显有误的地方进行改正，根据实际情况进行补洞或是填平等处理，然后将编辑好的成果保存并替换首次建模TIN文件，再针对分块的区域重新进行三维纹理贴图。最终可明显改善水面空洞。

经过试验，我们发现，树的三维效果较差，树荫下的部分一般无法建模，如图14所示，丢失了地面至树冠下的细节，如人行道和一些市政设施的信息，如电信箱、消火栓等。

第三个问题，是因为水体进行空三匹配难度较大，在三维建模时会经常出现类似问题，需要后期人工干预，如图15所示。通过AutoCAD 3DMESH等软件进行漏洞插值，填补，然后分块替换有漏洞的区域，重新匹配建模，最终完善三维模型。

图13　地面至15 m高度，快速三维建模效果较差

图14　路两旁的绿化树快速建模三维效果

图15　河流中间出现空洞

5　结论与展望

综上，我们认为无人机用于小范围快速构建城市三维模型是可行的，在同等资金和时间成本下，无人机快速建模是优于传统人工建模的。另外，无人机快速建模在近地面（15 m以下）、绿化树、大面积水体建模效果较差的问题，需要继续深入研究，如利用街景或降低飞行高度后获取的影像同无人机倾斜摄影数据结合来改善近地面（15 m以下）的 三维快速建模效果；另外，可尝试用多旋翼无人机携带五拼相机超低空飞行进行三维快速建模，提高建模精度。我们将在以后的研究中进行试验验证。

［1］王伟，黄雯雯，镇姣.Pictometry倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2011（3）：181～183.

［2］曲林，冯洋，支玲美等.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究［J］.测绘与空间地理信息，2015（3）：38～39.

［3］桂德竹.基于组合宽角相机低空影像的城市建筑物三维模型构建研究［D］.徐州：中国矿业大学，2010.

［4］王海风，盛艳容，马杰.倾斜航空摄影斜视影像分辨率分析［J］.测绘与空间地理信息，2014（9）：97～100.

［5］王兴慧.应用于倾斜影像的点特征优化提取与宽基线匹配［D］.兰州：兰州交通大学2014.

［6］姚国标.倾斜影像匹配关键算法及应用研究［D］.北京：中国矿业大学，2014.

［7］李安福，吴晓明，路玲玲.SWDC-5倾斜摄影技术及其在国内的应用分析［J］.现代测绘，2014（6）：14～16.

The Discussion About 3D Modeling Quickly use UAV Oblique Photogrammetry

Ding Zhiguang，Yan Xinsheng，Chen Huiguang
（Jiangmen Investigation and Surveying Institute，Jiangmen 529000，China）

When JiangMen city product 3D models，oblique photogrammetry method and fast 3D modeling technology by UAV was used，a technical scheme which is suitable for the actual production was summarized.This method of modeling is pratical，can increase production efficiency.Especially for small and medium range city modeling，can effectively achieve the speed and fidelity of both，showed its superiority，and has some reference for rapid modeling of small and medium cities.

Oblique photogrammetry；UAV；fast 3D modeling

1672-8262（2016）04-72-07

P231

B

2016—03—21

丁志广（1983—），男，硕士，工程师，注册测绘师，主要从事数字城市、摄影测量与遥感等工作。