面向三维GIS的无人机数据采集与处理方法研究*

赵晓清

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013;2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，越来越多的GIS系统对精确、逼真的三维数据提出了要求，各地市开展的数字城市建设也开始加入三维实景模型数据源，用于进行三维展示、三维分析、辅助规划等，在需求的推动下，三维数据的快速采集与处理开始成为研究热点。传统的摄影测量设备昂贵、空域申请困难、技术流程复杂，将多数测绘单位拒之门外，近几年来，无人机技术飞速发展，带精密定位模块的消费级无人机产品不断推陈出新，价格迈入万元级门槛，由此摄影测量开始真正进入普及化时代。当三维数据源变得易得易用后，三维矿山、三维社区、三维校园等三维GIS系统的建设和使用开始走向实用[1]，本文以国产SuperMap为平台软件，以无人机为数据采集工具，研究了影像数据获取、三维模型建立与处理、多源数据融合等问题，为三维GIS系统的建立提供了精确、美观、实用的基础数据。

1 技术路线

依据数字摄影测量原理，从初始拍摄照片到可量测的模型和产品，中间要经过空三处理、点云生产、网格构建、纹理提取、模型建立等环节[2]，针对不同的产品需求，国内外各大软件提供商有侧重的推出了各自的解决方案，虽处理流程大致相似，但各自特色鲜明，在使用中需根据需求组合使用，本实验采用的多源数据处理流程如图1所示。

2 无人机影像数据采集

使用无人机进行影像数据采集通常有两种方式：(1)垂直摄影；(2)倾斜摄影。垂直摄影一般应用于传统测绘4D产品的生产，虽然在当下的建模软件支持下亦可生产三维模型，但由于相机拍摄角度问题，被摄对象的侧面纹理信息获取不足，三维模型效果通常较差，且点状地物如路灯、电杆等通常会缺失，需后期进行立体量测或人工调绘后手工建模。倾斜摄影是近年研究热点，通过在飞行平台上搭载一个或多个传感器，可以获取地面的多视角影像，有效解决垂直摄影中的墙面遮挡压盖、建筑屋顶位移等问题，同时，由于侧视信息丰富，建模效果更加逼真、细腻，更加符合人眼视觉。本次实验采用了大疆精灵4RTK无人机，选取“井字”飞行，云台角度-60°的方式进行影像获取，航高100 m，航向重叠与旁向重叠取默认值80%和70%，地面分辨率2.74 cm，倾斜摄影建模精度8.5 cm。如对模型质量要求较高，可采用“五向”飞行，获取正射影像和云台角度-45°的倾斜影像[3]。

3 实景模型建立与处理

3.1 软件选取

行业市场上应用较多的国内外无人机倾斜影像处理软件主要有美国的ContextCapture Center、瑞士的Pix4DMapper、俄罗斯的MetaShape、大疆智图等，各个软件各有优缺点，且各阶段成果可相互转换使用[4]，在数据处理过程中可依据需要综合选取、交叉使用，依据经验共识，对各软件整体对比评价，结果参考如表1所示。

表1 软件整体对比表

3.2 实景建模

MetaShape软件影像畸变校正、空三处理能力强，而模型构建时，ContextCapture软件使用了较为先进的“泊松表面重建方法”，对影像数据生成的点云进行表面重建的效果较好[5]，本次实验采用MetaShape进行了空三处理，软件评定位置中误差为0.051 m，与现场实测像控点、检查点计算结果基本一致。将合格的空三成果导出为Block Exchange格式，在ContextCapture中导入该区块，进行边界划定、模型切块、参数设置后，开始进行模型生产，软件内部处理流程如图2所示，实际作业时完全为自动生产，基本无需人工干预。ContextCapture默认生产成果的格式为自定义3MX格式，而目前市面上生产的倾斜摄影三维模型数据的组织方式一般是二进制存贮的、带有嵌入式链接纹理数据(.jpg)的OSGB格式，该格式自带多级分辨率的LOD数据，LOD数据是在模型的生产过程中创建，根据密集点云逐级抽稀后构建的三角网模型，在三维场景的浏览过程中，不同层级之间的过度平滑，无突跳感，且为多数GIS平台、矢量数据采集平台所支持，为此，模型生产完成并检查无误后，一般需转换OSGB格式[6]。

图2 ContextCapture三维模型生产流程图

3.3 单体处理

软件构建的三维实景模型通常用“一张皮”来形容，与影像数据类似，只能进行浏览、简单量测，无法添加属性数据进行数据管理与分析，因此要借助工具软件对整个实景模型进行单体化处理。目前，单体化技术主要有两种：(1)切割单体化：用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，即把连续的三角面片网从物理上分割开，从而实现单体化[7]。(2)ID值单体化：利用模型的三角面片中每个顶点额外的存储空间，把对应的矢量面的ID值存储起来，即一个建筑所对应的三角面片的所有顶点，都存储同一个ID值，从而实现在鼠标选中该建筑时，可以呈现出高亮的效果[8]。目前，市面上的多款软件都可用交互式方式进行模型分割，如图3所示，简单快捷。

图3 模型单体化效果图

3.4 模型精修

由于航摄区域存在水面、绿地等弱纹理区，或航摄盲区死角造成空洞区域，或地表高差起伏过大导致空三、建模精度较低，模型可能出现丢失、扭曲、映射错误等问题，如对数据质量要求较高，需要对单体模型进行修补优化，使其更加规则美观。模型处理软件应用较多的有3D Max、Dp Modeler、Wish 3D、VSModeler等，常用的数据格式一般为OBG格式，这种格式是为3D建模和动画软件开发的标准3D模型文件格式，适合于3D软件模型之间的互导，为多数模型处理软件支持[9]，此次试验采用了3D Max软件完成了建筑墙面修复、道路置平、删除漂浮物、水面漏洞修复等功能，效果图如4所示。

图4 模型修复效果对比图

4 多源数据融合

不同的数据类型在不同的应用中各有优缺点，优秀的GIS系统均提供不同的数据接口，可以融合不同的数据源。利用无人机不仅可以生产三维实景模型，也可以在此基础上进行多种其它数据格式的再生产，为GIS系统强大功能的实现建立数据基础。

4.1 影像数据的生产

影像数据纹理丰富，直观形象，是早期垂直摄影测量的主要产品，无人机低空倾斜摄影测量可以使影像数据获取更简洁、分辨率更高，如大疆精灵4RTK的航高100 m数据，可以生产2.74 cm分辨率的TDOM数据，完全满足1：500大比例尺地形测图的需要[10]。ContextCapture软件中，在生产的实景三维模型数据基础上，通过再生产可以快速的得到TDOM、DEM的瓦片数据，利用ArcGIS工具箱中栅格数据处理工具进行镶嵌处理可以得到完整影像数据。如采用Pix4DMapper软件进行数据处理，则一般先直接生成DOM和DEM数据，然后将二者进行合成处理得到三维模型数据。软件生成的影像数据中均带有位置信息，无需进行配准、微分纠正等处理即可直接使用。

4.2 矢量数据的生产

矢量数据易于管理和使用，数据量小。GIS系统中常用矢量数据格式有shape/dwg/kml等，如果已收集到项目区的CAD数据，如设计图、竣工图等资料，可以利用ArcGIS的转换工具进行不同格式的转换，如果项目区无现状矢量资料，需要在实景模型数据或影像数据基础上进行采集处理，倾斜摄影裸眼测图软件可采用EPS、iData、HiData、CASS3D、SV360等。为验证倾斜摄影测量生产的矢量数据精度，在测区范围内选取了10个特征点，在实景三维模型上利用CASS3D软件进行数据采集，并与RTK实地采集的坐标进行了比对，结果如表2所示，该精度满足1:500地形测图规范。

表2 矢量数据生产精度对比表/m

4.3 属性数据的采集与数据库建立

属性数据是GIS数据管理与分析的基础，主要是各地理实体对应的非空间信息，根据系统的需求分析报告及功能设计，采取调查、统计等方法制作为数据文件存储待用。各项数据准备完毕，即可选取GIS平台软件进行数据库的建立及后期系统功能的开发。此次实验以SuperMap为平台，在iDesktop中新建数据源，通过导入功能可以将CAD、ArcGIS、OSGB、KML、表格数据、模型数据等分别建立数据集，由于SuperMap 3D Designer三维地理设计引擎可针对各类数据进行匹配处理，从而可以实现多源三维空间数据的融合和不同数据的叠加，空间数据处理无误后，将属性数据与空间数据进行关联建立完整数据库[4]，多源数据融合效果如图5所示。

图 5 多源数据融合效果图

5 结 语

本文就无人机倾斜摄影测量技术在真三维GIS系统数据采集中的应用进行了研究与实验，通过多个工具软件的组合使用，建立了从外业航飞相片到空中三角测量、密集点云建立、三维模型生产、影像数据生成、矢量数据转换、多源数据融合的高效生产流程，位置信息精准、纹理信息细腻，为高效实用的真三维GIS平台提供了优质数据源。数据处理完成后，在SuperMap iObject.net和编程工具的支持下，可构建功能完善、面向行业应用的真三维GIS管理系统。由于数据生产过程中涉及到多个软件平台、多个数据格式，因此融合后数据难免存在色差、错缝等问题，需进一步研究解决。