基于消费级无人机的实景三维建模

钟志强 吴曼乔

（1.梅州市测绘与地理信息技术中心，广东 梅州 514000；2.广东省地质测绘院，广东 广州 510800）

1 引言

从数字城市发展到现在的智慧城市[1]，各行各业都在加快信息化的节奏。在城市规划中，实景三维模型的应用对于各设计单位将有可观的经济效益，能对数据进行实时的智能化处理，可缩短测量时间，减少测量资金，提高经济效益。使用无人机航测进行实景三维建模是较为常见的方式。

无人机航测技术将先进的无人机技术、通信技术、摄影测量技术等相结合，通过高分辨率数码相机获取高分辨率的栅格照片，并对影像信息进行实时处理和分析，这是目前比较通用的方法。该技术优势是能获取丰富的地物纹理信息，高效自动化的三维模型生产、高真实度的三维空间场景，劣势是采用可见光进行摄影测量，对天气要求较高，对密集植被下的地形无能为力，对一些细小物体的建模能力存在不足。一般使用价格昂贵的工业级无人机来进行航摄，很少使用成本低廉的消费级无人机来进行作业。

2 消费级无人机简介

按用途划分，民用无人机可分为消费级无人机与工业级无人机两大品类。消费级无人机主要用于航拍、跟拍等娱乐场景，具有产品标准化、应用同质化、成本低廉、入门容易等特征，具有十分广阔的应用前景。工业级无人机主要用于农林植保、物流、安保巡防以及油气开采等众多行业，用户更注重无人机数据采集的精准化，以及在此基础上形成的定制化资源分析与利用价值。

项目采用大疆精灵PHANTOM 4 RTK 作为研究的消费级无人机。该无人机是一款小型多旋翼高精度航测无人机，是由消费级无人机加上GNSS-RTK 技术的入门级测绘应用组成，支持GPS/北斗/GLONASS 3 系统6 频点的RTK，具有厘米级定位，高灵敏的GNSS 定位使无人机在微弱的信号下仍然能稳定飞行。另外，PHANTOM 4 RTK 的镜头拥有1 英寸2000 万像素的传感器与7 组8 片的全玻璃镜头，可以提供高解析力的图片。机械快门可以消除无人机因高速运动导致的果冻效应，能有效避免实时建图时的精度降低。系统支持实时RTK 与PPK 数据并记录精确位置（线元素）、姿态（角元素）、置信度、镜头标定参数等重要信息，保障多场景下的作业与后处理。

3 实景三维建模技术流程

3.1 实景三维建模原理

实景三维模型建模[2]是利用无人机上搭载的摄像机镜头同时从垂直、倾斜等角度采集影像数据，获取完整准确的纹理数据和定位信息，通过计算机视觉原理，对获得的倾斜影像进行三维模型生产。

（1）影像采集。以多摄站环绕、不同角度和不同方向对测区进行拍摄。

（2）坐标解算。普通数码相机的内、外方位元素初始近似值未知，图像点、拍摄中心和相应地面物体之间不一致，利用图像点坐标校正数的直接线性变换方法，建立图像点坐标与相应目标点空间坐标之间的线性关系。

（3）绘制实体。在照片上采集一定密度的特征点，计算特征点的三维坐标。将特征点投影到三维空间后，利用三维绘图软件开发建筑物上的特征点，添加缺失点，利用计算机视觉技术建立线框图和几何实体模型。

3.2 ContextCaptureCenter 软件简介

采用ContextCaptureCenter 软件进行三维建模。ContextCaptureCenter 是一款可由简单的照片和/或点云自动生成详细实景三维模型的软件。该软件的高兼容性能对各种对象各种数据源进行精确无缝重建，从厘米级到公里级，从地面或空中拍摄。只要输入照片的分辨率和精度足够，生成的三维模型是可以实现无限精细的细节。ContextCaptureCenter 的原理[3]是从多个角度对静态物体进行分析，并自动检测同一特征点，对获得的倾斜影像、像控点等数据进行预处理、空三加密、模型构建、纹理映射、检查等步骤，最终得到实景三维模型的技术过程。该过程无需人工干预便可快速地、自动地将一组标准的、无序的二维像片，批量构建成全要素的、精细的、带有纹理的三维网格模型，从而快速还原真实世界。

3.3 主要技术流程

实景三维建模的技术流程主要包括现场踏勘、控制测量、影像采集、内外业处理和最终建模。具体流程如图1 所示。

图1 技术流程

项目以嘉应学院为例，具体探索消费级无人机在实景三维建模中的应用。嘉应学院是广东省梅州市一所普通公办本科院校，位于梅州市中心城区，地势平坦，海拔在100 米左右，占地面积约108.55 万平方米，校舍建筑面积62.01 万平方米，周边多为村庄。通过LSV 地图和实地踏勘，对面积约0.7 平方公里范围进行航空影像数据获取，范围内无高于100 米的高楼、电塔，航拍条件良好。测区地处低纬，近临南海，受太平洋和山地的特定地形影响，夏日长、冬日短，全年气温高、冷热悬殊、光照充足、气流闭塞、雨水丰盈且集中，属亚热带季风气候。

3.3.1 外业采集

（1）航线规划及影像数据采集

航线规划使用PHANTOM 4 RTK 自带的航线规划软件，选择正射+井字飞行模式（如图2 和图3 所示）减少照片量，每次规划航线时都可以查看航线的预计照片量和剩余空间，不会因为内存卡容量不足而导致照片丢失。起飞地点选在实训教学楼楼顶，设置地面分辨率约为3.3cm，航向和旁向重叠度默认80/75。设置完毕启动无人机采集影像数据，本次航测飞行拍照正射影像共1976 张，倾斜影像共3450 张，总5426 张。

图3 PHANTOM 4 RTK航线规划（井字）

（2）像控点测量

像片控制点测量按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图航空摄影测量外业规范》相关要求执行，采用数码相机记录控制点点位实地位置。

3.3.2 内业建模

（1）像控点刺点

利用传感器获取的无人机航空影像对测区进行像控点刺点，将野外实测的像片控制点转刺到像片上，为保证刺点准确和内业测量精度，刺点时应选取影像清晰的航片刺点，一般要求每一个视角的点位都刺3 ～5 张照片，若是单一角度即3 ～5 张照片，若是五个角度即一个控制点需要15 ～25 张照片。

（2）空三加密与三维建模

项目采用ContextCaptureCenter 软件进行三维建模，工作流如图4 所示。

图4 ContextCapture Center工作流

使用ContextCaptureCenter 软件建立工程项目，导入预处理影像后，软件会自动识别照片中的pos 数据、照片畸变参数。空三加密与三维建模过程会产生超高密度点云（如图5 所示）、白模（如图6 所示）和纹理映射模型（如图7 所示）。

图5 超高密度点云

图6 白模

图7 纹理映射模型

3.3.3 精度分析

表1 精度分析

表2 误差统计

经统计可得出表1 和表2 结果，可以看出，项目三维模型的平面中误差为0.024m、高程中误差为0.21m。根据《CHZ 3003-2010 低空数字航空摄影测量内业规范》要求，当平面中误差不大于0.6m，高程中误差不大于0.5m，整体模型精度达到1 ∶500 测图的精度要求。

4 结束语

三维真实场景不仅可以直观显示空间对象之间的关系，还可进行空间分析、统计、查询等，为管理和决策提供技术支持。ContextCaptureCenter 软件作为倾斜摄影航测业内使用最广泛的软件之一，在空三计算、模型构建、纹理贴图等方面都有独到的优势。同时，无人机倾斜摄影技术还能提供DOM[5]、DSM、实景三维模型等多种测绘成果，实现了高效、快速、准确、成本低的工作模式。

通过以嘉应学院为例详细研究了基于消费级无人机实景三维建模方法的基本作业流程，确认了其成果可以满足相关规范的三维模型精度要求，验证了消费级无人机在实景三维建模中的可行性。