基于倾斜摄影的三维模型重建的可行性研究

王杨玚 钟永康 董 啸

(桂林电子科技大学建筑与交通工程学院,广西 桂林541004)

无人机倾斜摄影的原理是将相机装载于无人机上，利用无人机同时从前、后、左、右和垂直五个不同的方向获取高精度全景地表影像，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，可以使无人机从多个角度记录地物，更加真实的反映地物的实际情况。无人机携带的相机可以将三维场景转换为记录着拍摄瞬间的航高、POS信息、相机参数等信息的二维相片，然后利用Context Capture对采集的高清影像数据进行处理，输出三角网格模型。该模型分辨率高，带有真实纹理，能准确精细地复原出建模对象的真实色泽、几何形态以及细节构成，解决了大范围复杂地形数据采集及三维模型重建的问题，即从二维相片重建三维场景。用高清相机对物体进行多角度拍照，经计算机自动处理形成物体的三维数字模型（带纹理），非常适合用于3D建筑细部、逆向工程、文物展示和复制，生成精确的三维模型。

1 无人机数据采集

采用大疆精灵4 Pro V2.0 无人机搭载FC6310相机对桂林电子科技大学花江校区第13、14教学楼及周边场地进行航空摄影，被测区域位于东经25°18′48″，北纬110°24′42″，面积约为29535m3。无人机飞行相对航高50m，旁向重叠率70%，航向重叠率80%，相机对地面倾斜45°拍摄，焦距9mm，对测区以下视、前视、后视、左视、右视进行五架次飞行任务。航测影像分辨率5472像素×3648像素，水平分辨率以及垂直分辨率均为72dpi。外业航测日期为2021年1月15日，空气湿度80%，天气晴朗，气温11℃，天气状况适宜无人机飞行，此次航测任务无人机获得航测影像239张。无人机飞行参数，航带路径如图1所示。

图1 航测参数设置图

被测区域内第13教学楼长度约为78m，宽度约为23m，高度约为27m；第14教学楼长度约为75m，宽度约为24m，高度约为27m。建筑外立面形式均为饰面砖材与白色、黄色外墙涂料相结合，外观立体，造型多样。建筑屋顶均采用斜屋顶的形式，铺设藏青色瓦片，层次分明，结构复杂。

2 实验过程

利用大疆精灵4 Pro V2.0 无人机对桂林电子科技大学花江校区第13、14教学楼及周边场地获取三维空间数据，利用Context Capture后处理软件进行逆向三维建模。即通过规划设计飞行航线得到正射影像及倾斜影像图，结合地面像控点进行全自动空三计算，并在之前选取的扫描站点获取点云数据，提取、去噪、拟合等数据处理后，构建TIN模型，通过3D纹理映射处理生成三维模型。

Context Capture是一种基于Smart3D Capture技术开发的允许从简单照片生成高分辨率3D模型的caxead工具，利用数学形态学实现形态学分析和处理算法的并行，提高图像分析和处理的速度的同时，更加精确地建立出建筑的三维模型，实现“所见即所得”。

该款实景建模软件可构建规模最大最具挑战性的三维实景模型，包括根据普通照片创建达到整个城市规模的模型。利用Context Capture将输入的无人机收集的倾斜影像处理得到具有丰富纹理的高分辨率的三维模型或点云模型。成果模型格式兼容行良好，可支持镶嵌于多种不同的三维地理信息平台上，方便进行模型的可视化浏览、编辑与存储管理。

Context Capture后处理流程：

(1)打开Context Capture Master模块新建工程，导入无人机倾斜摄影测量影像、飞行位置和角元素数据文件。

(2)根据无人机搭载相机型号设置镜头和焦距参数，通过设置降低采样以减少要处理的信息量，从而快速处理较大的影像数据集和生成三维模型草稿，进而完成影像组参数设置。

(3)检查影像文件，浏览区块影像，并检查影像文件的完整性和尺寸，排除有问题的相片。

(4)纠正倾斜测量影像，增加测量高程控制点、平高控制点和平面控制点信息。

(5)设置其他数据：导入经过处理的RGB点云数据文件，添加连接点和控制点。

(6)设置坐标系统，保证激光点云数据与影像模型数据是基于同一坐标系，并在3D视图中查看。

(7)提交空中三角测量，设置空三区块的名称和描述，将倾斜测量影像数据和三维点云进行空中三角解算。空中三角测量计算可以自动且准确地估算每幅输入影像的位置、角元素和焦距、主点、镜头暗变等相机属性，从输入区块开始，然后根据选定参数生成新的完整区块和平差区块。

(8)重建项目，模型生产，生成具有丰富纹理和细节生动的三维模型。

3 结果分析

通过Context Capture处理得到1:500建筑实景三维模型，在测区内选取4个点进行精度评定，使用全站仪测量4个点的平面与高程，测得的平面位置中误差与高程中误差均满足《数字航空摄影测量空中三角测量规范》(GBT 23236-2009)中1:500地形图误差最大限值要求。

Context Capture软件是通过三维重建算法实现模型构建，经过简单的人机交互操作可以构建出较高精度的实景三维模型。虽然该软件适用于大多数场景，但仍存在一些局限性，例如当前多数算法和软件普遍存在的无法识别反光、缺乏纹理、移动的物体。（图2）

图2 第13、14教学楼实景三维模型

4 无人机倾斜摄影建模优势

4.1 设备价格低廉。利用消费级无人机就可以快速完成现场采集工作，且能够满足后续处理和成果精度要求；较传统测绘用三维激光扫描仪等设备，价格很低。

4.2 速度快，安全保障高。较传统建筑逆向测绘方法（三维激光扫描、人工测量建模等），效率提升数倍，人工费用大幅度降低，作业人员无需进入待测场地即可完成测量工作，安全性高。

4.3 模型精度高，纹理还原度高。三维模型精度可以达到毫米级别，能够完整重现建筑物表面纹理信息。

4.4 应用范围广。建筑物三维模型可以与GIS技术、BIM技术结合，为移动端应用、房地产业、文化遗产保护与展示、导医导购、数字城市等提供精准轻量化模型和技术支撑。

4.5 针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取纹理贴图的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。

5 结论

本文通过无人机倾斜摄影技术对三维实景建筑体进行三维空间数据采集，结合Context Capture软件处理得到具有丰富纹理的高分辨率的三维模型或点云模型。使用搭载相机的无人机倾斜摄影的优势是可以对需要测定的目标进行全方位的拍摄，完善点云信息密度，结合Context Capture软件实现自动化实景三维模型重建，从而获得纹理丰富的高分辨率三维模型，真实地反映实际建筑外观及地形地貌，对建筑行业和数字城市工作中三维模型重建的实现与发展具有重要意义，为解决目前三维逆向建模效率低、曲面建模难度大、模型轻量化与不失真共存等行业共性技术难题提供技术支撑。