利用无人机倾斜摄影的建筑物立面建模方法

刘 振，吴长悦

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

建筑物立面测量，即根据需要将建筑物从各个不同方向，测出目标的俯视图和正立面图、侧立面图，以真实反映出建筑物各个部位在立面图上的关系位置及其尺寸，其效果类似照片[1-3]。随着测绘方法和仪器的发展，传统二维信息的表达已经不能满足人们的需求，人们需要更加直观的三维信息的呈现，各种三维建模技术应运而生。目前主流的三维建模方法有三种：通过全站仪外业测量后用CAD进行三维建模；通过三维激光扫描仪的三维建模；通过无人机倾斜摄影测量的三维建模。CAD建模是最为传统和古老的建模方法，该方法外业测量任务繁重，内业数据处理需耗费大量人力和时间成本。三维激光扫描仪的建模方法外业测量相对简单，三维建模精度非常高，但是内业点云数据量非常大，处理起来很不容易，并且三维激光扫描仪的成本太高，一般的单位负担不起，不适合大范围的推广使用。无人机倾斜摄影测量技术是近几年发展起来的新的测量手段，具有方便快捷的优点，并且外业和内业的操作都不是很难，成为了一种低门槛高效率的三维建模方法，得到全行业范围内的大力推广，并且深受测绘工作者的青睐[4]。

目前，在立面测量中，全站仪、三维激光扫描仪和倾斜摄影都能够得到三维的立面成果，但是综合考虑，本文选择无人机倾斜摄影测量作为研究对象，通过实验证明了该方法的可行性，值得大面积推广使用。

1 无人机倾斜摄影测量

1.1 数据的特点

无人机倾斜摄影的数据有以下特点：(1)数据获取方式便捷高效，利用无人机搭载普通相机按照预定航线飞行，即可获取原始影像数据；(2)数据获取成本较低；(3)获取的数据具有全方位、多视角、高分辨率等特点；(4)内业数据处理较为简单，基本可以实现全自动或半自动化直接得到三维模型成果[5-6]。

1.2 数据存在的问题

使用无人机倾斜摄影测量进行三维建模的影像序列数据常存在以下问题:

首先，三维模型成果的精度受原始影像序列的影响较大，不同分辨率的原始影像得到的模型存在较大差异，影响影像分辨率的因素较多，除去传感器自身的影响外，无人机飞行的航高、重叠度、飞行时的光照等都会影响影像的质量。

其次，可能会存在遮挡问题。在无人机倾斜摄影测量的过程中，不同的作业环境可能会存在一定程度的目标地物的遮挡问题，有时可能是建筑物结构导致的，有时可能是树木的影响等，这些都会导致影像纹理的缺失，最终影响模型局部细节的呈现。

最后，多视影像匹配出现错误。城市建筑的材质较为复杂，在对有些玻璃或金属等材质进行拍摄的时候，可能存在大面积色调单一和反光现象，折回使得影像在匹配时出现错乱和无法识别，最终产生有漏洞的三维模型[5]。

2 建筑物立面重建

基于无人机倾斜摄影的建筑物立面重建的基本步骤为影像序列获取、内业数据处理和三维模型的修复。

2.1 影像序列的获取

使用大疆的精灵4 RTK单镜头无人机对目标区域进行拍摄，主要采取系统规划的空中航线与人为设计的地面路线拍摄，这两种空地相结合的拍摄方式。选择天气晴朗的时候进行外业飞行，主要采集面向道路两侧和建筑顶部的影像数据，道路总长度200 m左右，拍摄垂直和倾斜有效影像共计1 017张，原始照片如图1所示。

图1 原始照片

在拍摄的时候，要求航向重叠度80%，旁向重叠度80%，建筑物正上方拍摄一组正摄影像，然后在道路上方对两侧建筑分别以45°倾角在最上边拍摄一层，然后再往下以等高度间隔(20 m)，以0°倾角拍摄三层，最下面一层为地面层，用手举着无人机沿道路两侧，使镜头正对两侧建筑进行拍摄，最终得到的影像为五组：顶部一组正摄和侧面四层倾斜影像。拍摄方案如图2所示(其中箭头朝向为无人机镜头朝向)。

图2 拍摄方案

2.2 内业数据处理

内业数据处理主要使用ContextCapture(原Smart3D)实景三维建模软件，该软件是Bentley公司的一款非常优秀的三维建模软件，具有自动化程度高、操作简便、三维建模效果优秀、并行运算效率较高等特点[7-8]。内业数据处理主要包括：数据导入，空中三角测量，选刺像控并再次空中三角测量，切块生成三维模型。数据导入ContextCapture之后的软件界面如图3所示。第一次空中三角测量之后的成果如图4所示。像控点导入后的界面如图5所示。像控点一共有8个，成“五饼形”均匀分布在道路两侧，坐标系统采用2000国家大地坐标系，中央子午线为高斯3°带117°，具体像控坐标数值如图6所示。

图3 照片导入后界面

图4 第一次空三后界面

图5 像控导入后界面

图6 像控坐标

选刺像控并进行空中三角测量之后的成果如图7所示。

图7 刺像控后空三界面

最终的三维模型成果如图8所示。

图8 三维模型效果

2.3 三维模型的修复

对于已经生成的三维模型，由于树木的遮挡、道路两侧建筑的玻璃或金属材质，都会导致在软件处理过程中纹理映射的错误。三维模型质量很大程度上依赖于原始影像数据，因此考虑通过外业补拍照片来解决遮挡问题，大量的冗余信息也能在一定程度上解决玻璃镜面的反射问题；此外，还可以在航测系统软件自动空三加密之后，通过手动添加连接点来辅助解决模型的玻璃漏洞问题。通过这两种方法对模型进行修复，最终的三维模型效果如图9所示。

图9 最终三维模型

3 建筑物立面增强

通过以上的理论分析和试验验证，说明了处理过程中原始影像数据对模型成果的巨大影响，利用影像中丰富的几何信息和建筑物设计中包含的规则可进一步提高模型质量，实现建筑物立面的增强[9-10]。丰富的建筑物纹理信息可以在一定程度上增强建筑物三维模型的立面效果，这种基于影像的增强，主要可以解决建筑物三维模型的缺失问题，修补模型漏洞和局部细节，但是可能会增大外业的工作量，所以应该尽量在第一次外业拍摄的时候就合理规划好拍摄方案，对于可能存在遮挡或遇到反光材质，应该在原有拍摄方案的基础上，加拍一定数量的影像数据，并且要保证与其他影像数据的关联性和重叠度。

4 结 语

本文对建筑物立面测量进行研究，提出了立面三维建模过程中可能存在的问题，并通过实验论述了无人机倾斜摄影立面测量的具体实施步骤，探讨了在对建筑物立面进行三维建模时可能影响模型效果的因素，通过影像增强来对模型修复，最终得到质量非常好的模型。证明了使用无人机进行建筑物立面测量具有可行性，为立面测量提供了一种可参考的解决方案。