一种基于无人机影像的建筑物三维模型构建方法

唐婷婷，杨晶晶

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，南京 211135；2.河北匠安科技有限公司，河北 三河 065200）

1 引言

在三维建设模型迅速发展的“数字城市”建设过程中，城市的三维模型的重要性越来越突出[1]，它作为“数字城市”建设的重要基础数据，在防灾救灾和文化保护中也有很大的作用。

在测绘地理信息行业， 具有真实视觉效果的三维模型一直是广大测绘从业者所追求的目标。 传统的二维数据和影像越来越无法满足社会生产和生活需求。 在规划、设计、交通等方面，立体化发展要求获得更加真实的三维模型。 然而无人机是建设“数字城市”的一个重要工具，传统的二维测量工具，像经纬仪、全站仪等已经不能满足人们对数据获取的要求，传统测量手段获取数据慢且不能形象地体现物体的各种特征。 无人机具有灵活快速、使用成本低、风险较小、维护操作简单等技术特点，因此，作为一种比较理想的飞行平台进行局部区域大比例尺航空摄影是一种经济实用的技术方案[2]。

现在国内外三维建模迅速发展，建模方法多，三维建模内容丰富。 本文是基于摄影测量的建模。 摄影测量建模技术里，双目立体摄影技术属于传统技术，它更多的是得到顶部信息，侧面信息比较少。 倾斜摄影是近几年国际上新兴的一种高新摄影技术。 本文利用传统航空摄影测量针对某学校实验楼进行建模，不受时空限制，效果好。

2 无人机数据采集

2.1 无人机平台

飞行平台是无人机航测系统的重要组成部分， 它主要负责搭载动力系统、数码相机等传感器、电力设备、导航仪器等一些飞行必需的设备， 然后把成像传感器系统直接送到空中沿着设定预设航线飞行[3]。本次使用的是四旋翼搭载SONY ILCE-6000 数码相机的无人机对测试的实验楼进行航拍。 无人机搭载的相机参数见表1。

表1 相机参数

2.2 飞行过程

本次飞行中，不仅要保证像片立体量测以及拼接的精度，还要保证影像的重叠度。 影像重叠度包含了航向重叠和旁向重叠，航向重叠就是相邻两张像片在同一航线上的重叠，旁向重叠指的是相邻航线上的重叠。 本次飞行计划，飞行重叠度在75%～85%，飞行高度在230 m 左右。 重叠度满足要求。

飞行结束后，应就地检查获取数据的质量，避免出现因影像质量问题而影响内业成图精度。 飞行任务完成后开始对照片进行筛选， 剔除掉起飞和降落时候拍摄的影像，只保留航线飞行时拍摄的影像照片。 本次飞行在满足重叠度的情况下， 需要利用影像裁剪工具对影像的边缘进行适当裁剪。

经过上述改正之后， 获取的数据包括影像照片和POS 数据，POS 数据由三维坐标（x，y，z）以及3 个偏航角6 个外方元素组成。 本次飞行获得的POS 数据见表2，影像照片如图1所示。

图1 影像照片

表2 POS 数据

3 Phot oScan 密集点云生成

PhotoScan 是一款基于影像自动生成高品质三维模型的成熟软件。PhotoScan 不需要设置初始值，也不需要相机检校，它依据最新的多视图三维重建技术， 能够对任意拍摄的照片进行处理，不需要控制点，能够由静止的照片自动生成密集的点云。 照片拍摄的位置也可以是任意的，无论是航摄相片还是高分辨率数码相机拍摄的影像都可以使用。

将无人机获取的POS 数据导入PhotoScan 软件，PhotoScan根据摄影测量的基本原理，匹配重叠照片间的同名点，计算出照片拍摄位置，搜索并对齐图片的相同点云[4]。 与此同时采集每张照片的相机的位置并修正相机的参数。 最后生成稀疏点云和相机位置信息， 根据相机的位置和图片自身创建密集点云，生成点云之后在PhotoScan 里的效果图如图2 所示。

图2 Phot oScan 效果图

4 基于点云的三维建模方法

三维建模工具有很多，本文中用到建模软件是MicroStation V8i，MicroStation V8i 是一款专业的CAD 制图软件，也是比较基础的一款软件。 它集合了二维绘图、三维建模以及工程可视化等功能，可以适用于公用事业系统、公路和铁路、建筑、桥梁、通信网络、采矿等领域[5]。 MicroStation V8i(SELECTseries 3）也具有非常强大的扩展性和兼容性，可以通过一些第三方软件实现诸多特效。

经过将点云导入软件、构建线条模型以及调整纹理之后，完成了整个三维建模，可以看到效果图。生成的效果图见图3。

图3 Mi cr oSt at i on V8i 效果图

5 结论

本文利用某学校试验楼来构建三维模型， 较好地展现了基于摄影测量建模方面的优点， 摄影测量能够快速有效地获取数据成果， 这种建模方法对构建单一规则的建筑物也能够高效、快速地构建出美观三维模型。 从三维建模模型来看，外形相似度也是比较高的。 所以，此次所用的建模方法是可行有效的，对城市三维建模和数字城市建设也有着一定参考意义。通过本次研究， 验证了摄影测量及建模技术可较好地为人民服务，可大力发展基于无人机影像的灾后重建，为失去家园的人们重建家园。