基于无人机倾斜摄影测量的校园实景三维建模

薛建华，卞小雨

（1.山西大同大学建筑与测绘工程学院，山西大同 037003；2.测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北武汉 430000）

目前各城市的智慧化建设正在不断发展，城市实景三维建筑模型成为构建智慧城市的重要工具。若建立一个城市三维模型，不仅需要实地观测到的地理信息数据，还需要城市规划设计信息，在这两种关键信息的需求下，将无人机倾斜摄影测量技术与BIM 技术结合起来已经是大势所趋。无人机倾斜摄影测量采集的图像数据不仅反映了地面物体的真实特征，还运用更精准的定位技术并嵌入准确的地理信息，从而生成符合真实场景的三维底图。在三维基础图的基础上，采用BIM技术对室内外建筑的数据进行精准化的分析、重构和处理，并根据实际场景的恢复，进一步细分化，实现信息化管理的同步建设，在模型的构建和实际应用中大有发挥空间，也为测绘事业不断开辟新天地。

1 实验与方法

1.1 实验原理

1.1.1 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量是利用同一飞行器上搭载的多个拍摄设备，同时对同一观察物体的不同方向取得丰富信息，然后通过高精度的数据处理方式，能够以更高清晰度、高精确性的方式全面探测空间复杂场景，最终得到更真实效果和测绘级精度的研究对象几何和位置等信息[1]。

除此之外，倾斜摄影测量技术可以更加真实客观地构建被测量物体带有外观特征的实景模型，降低了建模价格，且建筑模型数据信息量小，便于在网上进行发布和共享。

1.1.2 BIM 技术

BIM (Building Information Modeling)，是以三维数字技术为基础，利用构建虚拟的建筑三维模型，为工程建设提供集成了项目各种相关信息的数据模型基础[2]。同时，形成与实际项目相关完整一致的建筑工程信息库，将设计、施工生产、运营管理及安全监测等各个阶段完美有机地联系起来，有效提高工程效率。同时，可以在不同的建筑阶段和根据不同的用户需求，对这个共享资源库的BIM 进行检索、查看、应用、编辑更新相关的建筑信息，进一步为各涉及方的协同作业提供了技术基础，提高建筑信息的应用价值。其应用范围、领域非常广阔，可以跨越建筑项目的全阶段参与信息管理，并且可以同时联结建筑项目各部分参与人员协同工作。

在倾斜摄影测量建立的三维实景底图的基础上，根据所做规划，利用BIM 数字化技术在模型上进行设计和精修，从而提供更完好的三维建筑模型，而且能将建筑设计成果很好地展示出来。在使用者直观欣赏的同时，可以就不满意的地方直接修改，以求达到最佳的模型效果。

1.2 数据背景

现以某高校校区所覆盖范围及其周围环境为研究区域，以倾斜摄影测量采集的影像数据为基础数据，而后基于高精度的实景点云和预期所做规划对建筑模型进行设计、调整及精修，从而减小预期规划与实地施测不符所产生的多余成本。

1.3 航线设计与航测数据采集

（1）航测范围的确定：某高校校区占地范围740 m×443 m。

（2）现场调查和资料收集：校园环境现场调查，寻找合适的起飞地点即该校区操场中心，收集天气气象资料，并制定合理的飞行时间。

（3）航线规划及参数设定：根据现场条件，从中心区域即操场中心出发规划符合相关要求的航线。校区地势较平坦，平均高程约1 132 m，影像数据航向重叠度保证80%，旁向重叠度为70%。根据测区实际情况设置参数，在航线设计软件中会自动生成无人机飞行方案，主要参数有飞行航线的起飞点与降落点坐标，飞行器摄像头曝光点的坐标。飞行路线如图1。实地航飞过程中，无人机在到达设定位置后，荷载相机将会按所对应的曝光点坐标和角度进行实际拍摄。

图1 航线设计图

飞行参数设计：①选用索尼A58 相机，传感器最高分辨率为5 456×3 632，像元大小为4.2 μm[3]。②正摄与倾斜方位相机焦距相同，均选用20 mm，并保证地面分辨率为5 cm。③因为测区范围内最高建筑物约为35 m，同时综合考虑到分辨率的要求，飞行高度最终设置为70 m。

（4）倾斜三维摄影采集：按照所计划的施测方案进行航测飞行数据的采集作业。作业人员在操场中央的地面站进行无人机组装并设定上述参数后，便可施行航测作业。无人机将按照上述飞行方案所指定的航线进行空中拍摄，作业人员只需观察无人机位置及实时飞行参数。

1.4 航飞数据的检查

航飞完成后，首先要对获取的影像进行质量检查，对不合格的区域进行补飞，直到数据质量满足可靠性要求[1]。

2 模型构建

2.1 实景三维建模的生产流程

内业数据处理软件采用ContextCapture（原Smart3D软件），能够以一组对建筑物从各个角度拍摄的数码照片作为数据源[4]；同时辅助外部参数：摄影机参数(焦距、传感器尺寸、镜头畸变)，影像的外部配置信息(POS)，控制点等信息；无需人工操作，生成输出的三维网格模型能够准确精细地表现出建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成，从而完成倾斜摄影数据到三维模型的过程。

根据摄影测量原理，在ContextCapture 软件中操作流程如下：

（1）数据预处理：对航摄影像进行调色处理，可以得到影像内部与像片之间的匀光匀色；继而进行多视影像数据的几何校正和同名点密集匹配，可以快速准确获取同名像点坐标，获取对应地面点的三维信息。同时，为了方便后期的影像联合解算，需要将正射垂直方位与倾斜方位影像进行分类，并旋转为正向影像。

（2）多视影像的联合平差：不同于传统的正射影像处理，倾斜摄影技术得到的是多视角影像信息，在解决图像的几何变形与影像的遮蔽部分后，需要考虑对四个倾斜镜头和垂直下视镜头拍摄的图像进行联立解算，同时结合POS 系统提供的航片位置与方向的外方位元素，混合地面控制点信息，统一完成影像自检校和区域网平差，解算得到满足精度要求的外方位元素。然后将平差结果赋予每张倾斜影像，使每张像片进行实时量测，即每个像素对应真实的地理坐标位置。

（3）模型构建：利用计算机视觉技术进行多视影像的特征匹配，同时可获取建筑物的特征信息，以及生成建筑物的侧面结构和恢复被摄物体三维密集点云数据，对三维立体点云进行分块可自动构造出TIN 白模型。实时纹理映射技术可以增强模型的真实感，结果以OSGB 格式输出真实场景模型成果[5]。

（4）模型检查与编辑：对于类似教学楼等表面光滑、易发生镜面反射的建筑物，同名像点的自动匹配有一定难度，会导致构建的模型容易出现破洞。因此，要结合实地的具体勘测对模型进行修复和编辑不闭合的领域。

按照上述实验步骤构建的立体模型如图2。

图2 实景三维立体模型

2.2 建筑模型的形成

基于倾斜摄影技术构建的实景三维模型，通过BIM 技术实现设计和呈现建筑物内部布局和建筑物周围的绿地。

2.3 三维数据精修及更新

运用DP-Modeler 软件对Smart3D构建的模型成果进行精修，如建筑物外部的棱角、建筑物内部具体构造及整体校区的绿化区域部分等，为后期模型的实地设施、运营管理、变形监测等提供便捷。

（1）局部区域分别编辑：确定需要精修的建筑区域，对需要加工的局部进行裁剪剥离。例如：进行各室内房屋结构的精修，将各教室的室内按照实地进行具体布置(讲台，课桌等)，效果如图3。

图3 教室室内结构图

（2）精细修编重建：采用软件自动解算和人工操作对数据模型进行精细加工。精修该校区实训楼周围所需建设的绿化带，其具体布设位置如图4。

图4 实训楼前绿化建设

（3）更新整合：将精修后的数据模型复原到原场景中，实现无缝融合。因手工建模的特点是建筑物均是单体化完成建立，在对已有的手工建模更新时，可用精修后的倾斜建模数据代替原手工建模数据对应修建区域，从而实现已有手工模型数据的更新维护。

3 结果分析

为了提高数据处理的精度，选取五点法布设地面控制点，像控点位置均匀分布在整个测区四角点，中心点位于操场中央位置。同时，为了满足所构建模型的精度，整个校区中还布置了20 个检查点来验证模型的准确性，位置在办公楼东侧、实训楼门口等特征地点。所有像控点与检查点利用GPS-RTK进行高精度的实地量测，并且在三维模型上提取量测出所对应检查点的模型点坐标，与外业观测的实际坐标对比，完成模型的检查。所选取的部分点位坐标见表1。

表1 控制点成果 /m

根据平面点位中误差的计算公式，可得实验模型上检查点的平面坐标平均误差为0.109 m，而所有点中最小误差是0.023 m，最大为0.184 m。同时，根据高程中误差计算公式，可得检查点上的高程平均误差是0.158 m，其中最小值为0.021 m，最大值为0.433 m。由此可知，倾斜摄影测量技术所获取的点位坐标中，平面误差略高，高程方向的误差稍逊。按照《1∶500、1∶1 000、1∶2 000 地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T7930－2008)，在平原地区，1∶500 地形图上的平面点位限差为0.3 m，高程测量误差限差为0.5 m[6]。因此，实验项目点位平面和高程方向的精度均满足1∶500比例尺地形图的测图要求。

4 结语

结合BIM 技术与无人机倾斜摄影测量技术，利用新型高效的数据采集方式及专业的数据处理流程，能够在大范围内，以高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，为反映真实效果和测绘级精度提供保证；同时，有效提升建筑模型的生产与设计效率，为我们的生活提供便捷。