无人机倾斜摄影技术支持下的校园三维模型构建

王 果，谢 瑞，肖海红，祁 钧，赵英豪

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2．煤化工资源综合利用与污染治理河南省工程实验室，河南 郑州 451191)

无人机倾斜摄影技术支持下的校园三维模型构建

王 果1，2，谢 瑞1，2，肖海红1，2，祁 钧1，赵英豪1

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2．煤化工资源综合利用与污染治理河南省工程实验室，河南 郑州 451191)

校园三维模型的构建是数字校园的重要组成部分，以河南工程学院为例，详细介绍了利用无人机倾斜摄影技术构建三维模型的方法与过程，包括数据采集、数据预处理、三维模型构建等步骤，实现了河南工程学院西校区的三维建模，为构建三维数字化校园打下了良好基础.

无人机倾斜摄影；数字校园；全要素；三维建模

伴随着数字化技术的不断进步，校园管理逐渐朝数字化和信息化方向发展.传统的校园数字化手段主要基于测绘的二维地形图，虽然地理位置和相对关系比较精确，但是需要花费较大的人力物力完成数据的采集和成图工作.而且，对于大多数用户而言，二维地形图的直观性较差，难以产生“身临其境”的三维效果[1].

数字化校园建设过程中最重要的环节是校园三维模型的构建[2].作为一种新兴的三维数据获取方法，无人机倾斜摄影技术将无人机技术与倾斜摄影技术有效结合，通过无人机搭载多台传感器，同时从垂直和多个倾斜角度获取影像，突破传统航测只从垂直角度拍摄的局限，能够同时得到建筑物顶面和立面的数据，具有周期短、效率高、精度高、成本低等优点[3].以河南工程学院为例，详细介绍了利用无人机倾斜摄影技术进行河南工程学院西校区三维模型构建的步骤.

1 基于无人机倾斜摄影技术的三维校园建模方法

受时空分辨率、外界环境、飞行场地要求及使用成本的影响，卫星遥感和载人航空摄影测量手段难以满足地理空间数据获取的需求.无人机倾斜摄影技术将无人机技术与倾斜摄影技术有效结合，无人机搭载多台倾斜摄影传感器，从垂直和多个倾斜角度同时获取影像，能够反映地物周边的真实情况,利用多个角度获取的地物纹理信息可以更加真实地反映地物的实际情况，极大弥补了正射影像的不足，如图1和图2所示.

图1 一组影像获取示意图Fig.1 Schematic diagram of a set of image acquisition

图2 连续几组影像获取示意图Fig.2 Sketch of several image groups acquisition

图3 基于无人机倾斜摄影的校园三维建模流程Fig.3 The flow chart of 3D campus modeling based on the tilt photography of UAV

基于无人机倾斜摄影技术的校园三维模型构建主要包括校园倾斜影像数据的采集、数据预处理及三维模型的构建等环节，整个流程如图3所示.

1.1 校园倾斜影像数据的采集

校园倾斜影像数据的采集包括实地踏勘、航线规划和数据采集，通过校园实地踏勘了解建筑物的布局与周围建筑物的高度，以Google Earth下载的影像为底图，按照以下步骤生成航线：①测区绘制；②飞行参数输入；③产生航点数据[4].然后，将规划的航线上传至无人机飞控系统，进行航飞，完成数据的采集.

1.2 数据预处理

由于相机在飞行器起飞前已经处于工作状态，飞控获得的定位定姿数据数量会少于影像数量，所以需要根据规划的航线对飞控数据进行整理.另一方面，受偏向风的干扰，会存在影像重叠率不规则、影像畸变差较大、影像对比度不相同等现象，需要对影像的数量、清晰度、色彩反差、色调和层次的丰富性进行检查.

(1)定位定姿数据的整理：定位定姿系统(Position and Orientation System, POS)利用搭载在无人机飞行平台上的GPS接收机获取无人机飞行平台曝光瞬间的空间位置及通过惯性测量装置(IMU)感测无人机的加速度，经过积分运算，获取无人机飞行器的速度和姿态等信息，需要根据规划的航线对定位定姿数据进行整理，获取规划航线上的POS数据.

(2)影像数据的拷贝与检查：将倾斜摄影五镜头相机资料数据拷贝，按照前视、后视、正视、左视、右视分别建立对应的文件夹，检查资料的完整性与可靠性，根据曝光点的个数，将文件夹内的影像数量相等作为检核条件，对照片进行数量、清晰度、色彩反差等方面的检查，删除错误影像.

1.3 三维模型的构建

在数据预处理的基础上，对影像利用SIFT(Scale Invariant Feature Transformation)算法进行特征提取，按照公式(1)进行光束法联合空三测量，得到经过优化的高精度外方位元素和消除畸变后的影像，用于后续校园三维模型的创建和纹理的提取.

(1)

通过多基元、多视密集影像匹配进行立体像对创建，以规则格网划分后的空间平面为基础，综合利用像方特征点和物方面元及多视影像上的成像信息和特征信息，采用参考影像不固定的匹配策略，对无人机采集的多视影像进行密集匹配[5]，利用并行算法快速准确获得多视影像同名点坐标，进而获取高密度三维点云数据并生成数字表面模型(DigitalSurfaceModel，DSM)，最后通过纹理映射得到全要素三维模型.

2 校园三维模型的构建与分析

2.1 试验区概况

选取河南工程学院西区为试验区，试验区内地势平坦，有教学楼、实验楼、办公楼等建筑，绝大部分为5～6 层.试验区周围有高层建筑，高度在100m以内.采用6轴固定翼无人机飞行平台，搭载增稳平台和五镜头倾斜相机(传感器尺寸为13.2mm×8.8mm，相机焦距为10.4mm)，如图4所示.设计相对航高为120m，布设3个架次，每个架次6条航线，航向重叠度为75%，旁向重叠度为75%，航线规划如图5所示.无人机水平飞行速度为6m/s，影像尺寸为5 472像素×3 678像素，倾斜影像平均地面分辨率为2.78cm.

图4 6轴无人机倾斜摄影系统 Fig.4 Six axis UAV tilt camera system

2.2 试验结果及分析

依据上述基于无人机倾斜摄影的校园三维建模方法，将试验区获得的倾斜影像数据进行处理.为了得到建模效果的局部信息，将图书馆区域放大显示，通过联合空中三角测量和多视密集匹配得到的试验区三维点云数据如图6所示.图7为构建三角网后的白模，三角网效果如图8所示，图9为三角网格化和纹理映射后的三维模型.整个试验区经过纹理映射的三维模型效果如图10所示.

图6 图书馆区域的点云数据Fig.6 Point cloud of the library area

图7 图书馆区域的白模Fig.7 White model of the library area

图8 图书馆区域的三角网效果Fig.8 Triangle net effect of the library area

图9 图书馆区域纹理映射后的三维模型Fig.9 3D model of the library area after texture mapping

图10 西区校园三维模型Fig.10 3D model of the main campus

从图9和图10的三维建模效果可以看出，利用无人机倾斜摄影技术构建的校园三维模型不仅完整，而且细节层次清晰，满足了三维数字校园建设的需要.

3 结语

校园三维模型的构建是数字校园的重要组成部分，低空无人机倾斜摄影技术具有实时性强、成本低、机动灵活、不受场地限制等优势，已成为快速获得地理数据的有效平台.通过在河南工程学院西区进行试验，验证了该方法的可行性，为构建三维数字化校园打下了良好的基础.

[1] 张培.基于ArcEngine数字校园三维场景构建与可视化系统研究[D].北京：中国地质大学(北京)，2016.

[2] 孙广通，李雷.基于GoogleSketchUp建立校园三维模型[J].矿山测量，2016，44(3):115-118，135.

[3] 孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘,2014,37(1):18-21．

[4] 李秀丽.基于Google地图数据的可视化无人机航线规划研究[J].测绘通报,2014(1):74-76．

[5] GERKE M.Dense matching in high resolution oblique airborne images[EB/OL].[2012-03-15].http://www.isprs.org/proceedings/xxxviii/3-w4/pub/cmrt09_gerke.pdf.

Research on the method of 3D campus modeling under the support of UAV oblique photogrammetry

WANG Guo1,2，XIE Rui1,2，XIAO Haihong1,2，QI Jun1，ZHAO Yinghao1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China;2.EngineeringLaboratoryofComprehensiveCoalResourceUtilizationandPollutionControlinHenanProvince，Zhengzhou451191,China)

The construction of three-dimensional model of campus is an important part of digital campus. Taking Henan University of Engineering as an example, the method and process of constructing 3D model by using the tilt camera technique of UAV are introduced in this paper, including data acquisition, data pretreatment, 3D model construction and so on. The three dimensional model of Henan University of Engineering is built under the support of UAV oblique photogrammetry, which lay a good foundation for the construction of a three-dimensional digital campus.

UAV oblique photogrammetry; digital campus; all geographical feature type; 3D modeling

2016-12-13

煤化工资源综合利用与污染治理河南省工程试验室开放基金(502002-B02，502002-B03)；河南工程学院博士基金(D2015040)

王果(1986-)，男，讲师，博士，主要从事三维数据获取及处理方面的研究.

P237

A

1674-330X(2017)01-0044-04