基于固定翼无人机的黄河三角洲民居建模研究

宋方旭　栗衍香　史慧敏　史庆通

摘 要：无人机低空航摄作为新型数据采集手段，具有仪器灵活机动、作业效率高等优点，被广泛应用于数字城市建设、村庄规划等方面。以固定翼无人机为载体，以黄河三角洲某村庄建模为研究对象，阐述其数据采集、空三解算与模型生产的相关流程，获取了数字表面模型DSM，为采用固定翼无人机开展相关的建模研究提供参考。

关键词：摄影测量;固定翼无人机单镜头;空中三角测量;纹理映射

文章编号：1004-7026（2019）17-0135-02         中国图书分类号：P23        文献标志码：A

近年来，由于“数字城市”在国内迅速发展，无人机摄影测量也日益成熟。倾斜摄测量的无人机航摄数据获取方式，已在智慧城市建设等方面发挥着重要作用。目前，倾斜摄影测量依赖于多镜头或单镜头多视角航飞，数据量较大，飞行过程也相对繁杂。

1  倾斜摄影测量与三维建模软件概述

无人机是通过遥控设备和自动化程序工作的无人飞行器，有多旋翼、固定翼、垂直起降固定翼无人机和无人飞艇等。无人机低空航摄测量具有轻便迅速、高效便捷、成本低廉、影像分辨率高等特点，有利于三维建模基础数据的高速获取。

低空航摄测量彻底避免了传统人工建模的弊端，经过对数据的自动化处理，加快了数据采集与处理的效率，同时可用于三维模型生产。常见的实景三维建模软件Context Capture，即smart3D软件，是Bentley公司于2015年收购法国Acute3D公司而生产的产品，该软件经过空中三角测量、密集匹配、纹理映射等过程对航空影像进行处理，实现自动化的三维建模过程。Context Capture软件主要有Master模块、Engine模块、Setting模块及Acute3D Viewer模块。Engine模块为引擎模块，是整个软件的基础;Master模块为具体任务模块;viewer为浏览工具，可对Master模块生成的三维模型进行浏览;Setting模块是该软件的认证许可和处理系统信息工具。通过摄影测量数据建模得到的三维模型，拥有较好的纹理，为智慧城市建设提供了数据[1]。

2  航测数据三维建模的关键技术

无人机航测数据三维建模主要涉及影像匹配、空中三角测量与纹理映射等关键技术，纹理映射是基于数字高程模型的三维与二维对应关系。①通过匹配算法在两幅或多幅影像之间识别同名点，基于图像匹配研究，采用各种算法进行特征点检测与匹配，然后进行自动空三解算，生成DEM和DOM。②开展空中三角测量，倾斜摄影测量解算过程的核心步骤，即为空三解算，其原理是解算影像特征匹配获得的连接点，将所有影像区域归入地面坐标系中，获得每张倾斜影像的外方位元素，空中三角测量精度决定成果质量。像放点、摄影中心、物方点在同一直线上，建立从像方空间到摄影中心再到物方空间的方程。模型纹理信息是衡量三维模型精细度的关键指标，倾斜影像本身带有纹理信息，因此需建立从二维纹理空间到三维模型表面的对应关系[2]。通过固定翼无人机获得的POS数据，将二维影像上的线段投影到三维模型中的线段，实现线段的匹配，结合倾斜影像的总质量、分辨率高低等因素，选取质量较高的纹理建立纹理数据库，用来渲染模型[3]。

3  基于固定翼无人机的黄河三角洲民居建模研究

3.1  影像获取

本次作业由单镜头的aBee固定翼无人机执飞，采用eMotion飞行控制软件来设定影像GSD分辨率、航向旁向分辨率和规划飞行航线，航带旁向重叠率和航向重叠率均设为65%，地面分辨率为0.06 m，平均飞行线路高度为210 m，图片间距为86.7 m。为增加影像采集数量，采用横纵格网方式飞行，未添加地面像控点，航线布设见图1。

3.2  基于Context和Capture软件的三维建模流程

（1）数据预处理。新建工程，导入188张影像和POS信息数据，即固定翼无人机摄影瞬间的经纬度、飞行高度以及姿态信息。

（2）空三加密。其关键技术是影像匹配，主要获取目标地物影像，生产地物的纹理特征。通过多基线多特征的匹配方法生成影像间的关联点，少量外业控制点和区域网平差可实现三角测量，设置空三加密的相关参数，使各项数据满足后续的数据处理。提交空三加密任务，进行空三加密任务，并可查看空三加密结果，见表1。

（3）模型生产与纹理映射。利用生产的高密度空间点云数据，构造不规则三角网，构建建筑物的三维模型，将获取的地物纹理信息进行映射，并将纹理拉伸，使建筑物侧面具有相应的纹理，构成数据采集区域的数字地表模型DSM，其结果可在Acute3D Viewer中查看。

3.3  建模成果分析

与旋翼型无人机建模相比，固定翼无人机的单次作业面积更大，正射影像获取与三维建模的效率相对更高;但从建模效果分析，因为固定翼无人机多挂载单镜头采集设备，影像获取时镜头垂直向下，所以尽管建模对象的顶部正射信息较好，但侧面信息较少，建筑物侧面纹理不如多视角倾斜摄影相机的效果显著，部分树木底部因遮挡存在树干缺失等问题，后期可通过修模软件，以添加地面所采集侧面纹理的形式进行修复;固定翼无人机对山体、道路、湖泊等地貌的展示效果好，可满足地表建模、数据量算相关的业务需求，见图2[4-5]。

4  结束语

使用固定翼无人机，利用Context Capture软件完成了对黄河三角洲民居的数据采集、处理、建模，建立了黄河三角洲地区的民居数字模型，利用点云与三维数据，提升了测绘作业的生产效率，可用于乡村规划、立体模型测绘等，为大区域地形地貌快速建模提供了参考。

参考文献：

[1]朱涛.浅谈三维地形建模系统及无人机在单体建筑建模中的应用[J].江西测绘，2019（2）：22-23，30.

[2]于建萍.無人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用[J].智能城市，2019，5（11）：66-67.

[3]李旭阳，陶博文.单目无人机倾斜摄影在山地建模中的应用[J].价值工程，2019，38（12）：161-164.

[4]原喜屯，常金钟，高鹏伟，等.无人机倾斜摄影在房地一体中的应用[J].信息技术与信息化，2019（8）：190-192.

[5]葛燕飞，杨峰.无人机倾斜摄影三维建模和应用[J].工程建设与设计，2019（16）：247-248.