单镜头无人机在城市建筑物三维建模中的应用研究

● 黄祥雄,吕日清,宾 琰

（1.广西有色勘察设计研究院，广西 南宁 530031；2.贵港市自然资源局，广西 贵港 537100；3.南宁师范大学，广西 南宁 530001）

城市实景三维作为数字城市建设的重要核心组成部分，其建模技术正朝着高精度、高效率、低成本的方向发展。传统航空摄影测量构建的城市三维模型工作量大、过程复杂、自动化程度低[1]，缺少与地物信息的融合，导致建模效果不佳，难以满足数字城市建设的需要。低空无人机倾斜摄影测量技术已逐步取代了传统航空倾斜摄影模式，被广泛应用到数字城市三维建模工作中[2−3]。

近年来，随着无人机技术的快速发展，无人机的续航时间、定位精度、操控性等都得到了大幅提升，为消费级单镜头无人机在城市三维建模推广应用提供了技术支持。相对于传统多镜头无人机而言，消费级单镜头无人机具有明显的价格优势，飞行更加灵活。研究小组基于消费级单镜头无人机，设计“井”字型航线获取城市建筑物倾斜影像数据，利用Smart3D软件构建实景三维模型，最后从模型成果的平面精度、高程精度及建模效果进行探讨。

1 单镜头无人机的倾斜摄影测量

1.1 单镜头无人机的优势

在小区域航摄中，消费级单镜头无人机可根据航摄任务要求、地物特点，合理设计航线，进而能够全方位地对地物进行拍摄，获取同一地物多角度的影像数据。因此，在小区域范围内的航摄任务中，消费级单镜头无人机相较于多镜头无人机具有视角灵活、操作简单、价格低等优势。

1.2 单镜头无人机倾斜摄影测量工作流程

单镜头无人机倾斜摄影测量三维建模的工作技术流程主要分为外业数据采集和内业数据处理。其中外业数据采集包括：（1）像控点布测。根据研究对象和区域地物特点进行像控点布设和测量。（2）多角度影像数据获取。合理规划航线，采用无人机外业获取研究对象的多视角影像数据。（3）内业数据处理与三维建模。采用Smart3D 软件进行内业数据处理，主要包括空中三角测量、影响匹配、生成点云、构建三维模型、模型精修。基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模技术流程如图1 所示。

图1 单镜头无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程图

2 实例数据采集

2.1 研究区域概况

研究区域位于南宁市区，区域地势相对平坦，满足消费级单镜头无人机飞行条件。此次实验选择的某栋建筑高约110m，总建筑面积约5.7 万m2，建筑立面外形由不同半径的圆弧或椭圆弧结构组合而成，顶面结构高低错落。相对于正方立面和平整顶面，该建筑结构更复杂，要实现逼真的实景三维模型需要重点处理好立面错落区域和顶面破碎结构的细节，这需要更多的影像数据、更科学的航拍设计以及更好的内业建模水平。相对城市少数极度复杂的建筑，该建筑复杂程度适中，如果研究能较好地实现该类建筑的实景三维建模模型，则可以运用于城市中大多数同类建筑中。因此，选择该建筑在技术方案和成本类比方面具有代表性。

2.2 像控点布设与测量

像控点选点要综合考虑成图精度、测区情况、航线设计等因素。研究区内建筑物较高，四周均有树木，所以选点应避免靠近建筑物、树木及反射物体等，减少RTK 接收的卫星信号受到的干扰。

为保证像控点测量精度满足建模需要，研究小组对像控点RTK 测量使用了辅助三角架固定仪，对中杆气泡严格居中后再重复进行3 次RTK 测量，在规范允许范围内取其平均值作为最终成果。此次外业布测得到了6 个CGCS2000坐标系下的像控点坐标，像控点三维坐标成果如表1 所示。

表1 像控点三维坐标数据表

2.3 影像数据获取

此次研究利用大疆精灵4 无人机（单镜头）进行影像数据采集，通过设计“井”字型航线实现模拟多镜头影像数据获取。

“井”字型航线是由两个航带垂直相交构成“井”字，使“井”字航线覆盖整个研究区，如图2（a）所示。由于消费级无人机只配备了单个镜头，航摄时设置镜头仰角为45°，使得“井”字航线交会处能够获取建筑物4 个方向的倾斜影像，如图2（b）为单镜头无人机获取建筑物4 个视角的影像。

图2 “井”字型航线示意图

研究区域面积约为26m2，研究小组结合测区及周边实际情况共设计了24 条航线，旁向重叠度为70%，航向重叠度设为80%，航摄相对航高130m。共拍摄高质量影像227 张，影像地面分辨率为3.5cm。

3 内业三维建模与分析

3.1 空中三角测量数据处理

内业三维建模采用了Smart3D 软件。将影像数据导入Smart3D 软件进行影像组检查，查看影像是否完整。对于缺失影像要返回影像组重新整理或外业补拍，以保证相片的完整性。空中三角测量处理前完成6 个像控点的刺点，保证像控点刺点误差＜1 个像元。影像组检查和像控点刺点完成后，按要求设置软件的各项参数开始空中三角测量数据处理。最后，查看空中三角测量的精度报告，确认处理精度达到规范要求。

3.2 三维建模

完成空中三角测量数据处理后，设置相关输出目录、参数后即可开始自动三维建模。建模过程主要包括：（1）多视影像匹配，得到地物的点云数据；（2）构建TIN 模型，为了提高效率，可在软件中设置对点云数据进行优化分割，快速生成三角网，便于三维模型构建；（3）自动纹理关联，为了优化结构、提高模型的可视化效率，通过自动纹理关联技术完成模型的纹理配准，最终得到实景三维模型。

3.3 三维模型精度分析

3.3.1 三维建模效果分析

经过Smart3D 软件数据处理后，最终获得研究区建筑物的三维模型。为验证三维模型的构建效果，需检查三维模型外部完整性与模型细节。为此，研究小组将构建的建筑物实景三维模型与该真实建筑物进行对比。图3 为建筑物实景三维模型某一视角的效果图，图4 为建筑物实景三维模型垂直视角的细节展示图。

图3 建筑物实景三维模型图

图4 建筑物实景三维模型细节展示图

由图3 可知，模型纹理清晰，建筑物棱角、墙体文字、窗户等均易分辨，与该建筑物外观整体上一致。从图4 可知，在模型细节上虽然还能辨认出建筑物顶部的太阳能板、卫星接收天线，但部分细节处出现模糊的现象，表明模型复杂部分的建模还需改善。

经分析，该模型复杂部分出现模糊的情况是因为Smart3D 软件自动建模时细节处理不完善所导致。实验表明，基于消费级单镜头无人机倾斜摄影测量，利用Smart3D 软件构建建筑物实景三维模型，能够较为完整还原建筑物的物理原貌，但模型复杂部分的细节层次仍存在一些不足之处。

3.3.2 三维模型精度评定

为了检测Smart3D 软件构建的建筑物三维模型整体精度，研究小组使用RTK 实测了5 个特征明显的检测点，与三维模型中量测得到的同名检测点坐标进行对比，统计各检测点x、y坐标较差和高程h 较差，结果如表2 所示。

表2 三维模型检测点坐标较差统计表

由表2 统计的5 个同名检测点三维坐标较差结果可知，x 分量最大差值为13.0cm，中误差为11.1cm，y 分量最大差值为13.5cm，中误差为11.5cm；平面最大较差为17.2cm，最小较差14.5cm，中误差为16.3cm；高程最大差值为18.7cm，最小差值为17.6cm，中误差为17.7cm。《三维地理信息模型数据产品规范》（CH/T9015−2012）[4]中明确了1∶500 比例尺（Ⅰ级）三维模型平面中误差应＜30cm，高程中误差＜50cm。因此，此次构建的实景三维模型精度达到了1∶500 比例尺Ⅰ级精度指标要求。

4 结语

研究小组采用消费级单镜头无人机，设计“井”字型航线采集得到227 张城市建筑物的多角度影像作为数据源，利用Smart3D 软件建立实景三维模型，同时对获得的三维模型效果及其精度进行分析。研究结果表明，此次构建的建筑物实景三维模型整体性较好，与真实建筑物相比具有较好的一致性；三维模型精度满足1∶500 比例尺Ⅰ级精度指标要求。

此次研究中，模型复杂部分对应的建筑实体往往是结构错落区域，形态破碎。受到无人机飞行姿态影响，部分数据较难获取；部分小物体在风力等因素干扰下易做不规则运动，也会导致无人机无法获取足够合格的静态数据，因此，部分建模会出现模糊的情况。今后的研究中，复杂建筑的航拍工作应选择在风力比较低的晴朗天气下进行，减少风力干扰；对建筑物形态破碎的复杂部位可通过人工近景拍摄并相控纠正，采取空地一体化的建模方式尽可能地还原实景三维模型。