基于无人机倾斜摄影技术的森林城市三维模型构建技术研究

李默然

(贵州省林业调查规划院，贵州 贵阳 550003)

建设森林城市是促进城市生产和良好生态环境全面发展的重要途径。加强城市生态建设，营造良好的人居环境，弘扬生态文化，提高城市质量，是促进人与自然和谐相处的重要举措。无人机倾斜摄影作为一项新兴测绘技术，以其高速灵活、高效可靠、高精度等优点在数字城市、智慧城市等领域建设中得到广泛应用[1-2]，关于森林城市总体规划的应用却鲜有研究[3]。以大疆精灵4RTK为例，选择贵州省江口县城区内部分区域作为试验对象，通过无人机倾斜摄影进行现地照片的采集以及后期三维模型的构建，阐述大疆无人机搭载DJI GS RTK App航线飞控软件的操作并对比分析生成的三维模型的精度，为森林城市生态体系建设、智慧管理、城区三维模型数据获取等方面应用提供参考。

1 研究区概况

江口县位于贵州省铜仁市中南部，地跨东经108°30′～109°06′，北纬27°27′～27°58′。东邻碧江，南抵岑巩，西毗石阡，北连松桃，西北接印江。距贵阳市412 km，距铜仁52 km，省道S303、S305通过县域境内。属亚热带季风湿润气候，光照充足，雨量充沛，年均总积温5 941 ℃，年均温16.2 ℃，年均降水量1 369.6 mm，雨季长达6.5个月，年均总日照1 257.3 h，全年相对温度81%，年均蒸发量664.5 mm。全县户籍人口总数24.8万人，其中城镇人口8.9万人，年末常住半年以上人口数(常住人口)17.6万人，森林覆盖率77.00%，2019年末通过省级森林城市专家组的评估验收。

2 试验设备

本次研究使用的无人机为大疆精灵4 RTK，是目前国内航测较为主流的消费级航拍无人机之一。相机镜头为FOV 84°；8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效)；光圈 f/2.8～f/11；带自动对焦(焦点无穷远)；图像传感器1英寸CMOS；有效像素2 000万(总像素 2 048 万)；3轴云台(俯仰、横滚、偏航)。卫星定位模块为GPS/GLONASS双模；理论续航时间28 min。使用的地面站软件为DJI GS RTK App，主要用于为区域内进行飞行任务的无人机制定飞行计划。

3 数据处理

3.1 航线设计

控制器设备注册登录后绑定DJI账号，在飞行模式中，选择3D五向飞行。按照任务需要规划好飞行区域边界(图1)，高度70 m，速度5.5 m/s；斜射高度100 m，斜射角度-60°，速度6.0 m/s，旁向重叠率70%，航向重叠率80%，拍摄方式为定时拍摄，照片比例3∶2，测光模式为平均测光。设置完成后，弹出确认界面，确认无误后，调用任务，拖动滑动条，无人机自行开始倾斜摄影航拍任务。

图1 规划航线界面

按规划的航拍线路，从起始点由既定速度匀速飞至终点，完成空中拍摄。该无人机在空时间约为11 min。一次起飞，飞行面积1 462.8 m2，获得了无人机航拍有效照片257张。

3.2 数据预处理

对获取的航拍数据进行分析、整理以及检查工作，内容主要包括照片质量和文件格式、照片重叠度、GPS记录管理信息与照片对应关系。为确保图像颜色符合生产要求，原始图像需要均匀。处理后的数据应保证与测区色调整体一致，且每张照片不偏色。

3.3 实景三维模型生成

为对比三维输出效果，分别以pix4d和ContextCapture为数据建立处理技术平台，将从影像中获得的纹理特征信息和几何结构模型分析结合，采用高精度一体化的自动建模技术，以测区几何中心为坐标原点，建立测区三维模型(图2，图3)，设立WGS-84 coordinate system世界大地坐标系统，将模型按照该坐标系进行输出，构建江口县城部分区域的实景三维模型，并在LocaSpaceViewer平台中加载模型进行对比及质量评价。

图2 pix4d软件空三测量处理

图3 ContextCapture软件空三测量处理

4 结果与分析

4.1 三维模型质量评价

为了验证和评价三维建模的几何质量，将模型按照建筑物、交通工具、森林、道路河流、农耕地等类型分解到基元面，以局部精度评估整体质量。三维模型实景成果展示见图4和图5。

图4 三维模型实景成果整体展示

图5中左侧为pix4d输出的三维模型，精度等级为最高，格式为.obj；右侧为ContextCapture 输出的三维模型，精度等级为最高，格式为.osgb。放大影像，从目视效果来看，右侧地物还原度较高，生成模型棱角分明。这些信息对于土地利用的监测具有重要的应用价值。选取接边处道路的错动最大距离进行测量，并将该距离作为接边处的精度误差。整体而言，接边误差可控制在0.7 m以内。该误差可随照片重叠率及飞行高度等因素进一步降低。

图5 三维模型实景成果细节展示

4.2 模型精度分析

由于ContextCapture 输出的三维模型质量较好，土地利用信息丰富。房屋、林地、道路、湖泊、草地等清晰可见，也易判读提取。在现地选取几处明显地物进行实地测量，同时在ContextCapture 输出的三维模型上选取对应同地物点进行测量，分别测量两点之间的直线距离。以实地的距离为真值，模型上的距离与真值的差值即为误差值，差值占真值的百分比即为误差(表1)。

由表1可知，模型的误差均在2%以内。

表1 误差分析

4.3 效率分析

该试验的数据获取时间约25 min。包括无人机起飞前准备时间约10 min，飞行航拍时间约11 min，飞后整理时间约4 min。1人负责飞行及航拍。数据处理需1人/d。通过该试验，三维模型覆盖地面的面积为91 418 m2。由此可见，该三维模型不仅时效性极强，而且获取成果周期短，效率高。

4.4 实用性分析

LocaSpaceViewer是一款专业的3D数字地球软件，具备便捷的影像、高程、倾斜摄影数据浏览功能。用户利用该软件能够实现模型浏览、测量和分析测区范围内三维地理信息数据[4]。对于森林城市规划中需要测算的建成区内的水岸绿化率、道路绿化率、立体绿化率等指标实现精确测量(图6，图7)。

图6 基于LocaSpaceViewer平台测定乔木层南北冠幅

图7 基于LocaSpaceViewer平台测定乔木林地面积

5 结论

该研究探索了基于DJI GS RTK App飞控软件进行倾斜摄影照片采集。对pix4d和ContextCapture两款数据处理平台获取森林城市三维模型的精度进行对比分析。结果表明，ContextCapture导出的3D模型及地物信息相比于对pix4d更加清楚、精细，在山区小范围土地利用类型判别及森林城市生态体系建设、智慧管理、城区三维模型数据获取等方面具有极大的推广应用价值[5]。