黨晨光，劉軍強，劉騰飛，徐超

DANG Chen-guang，LIU Jun-qiang，LIU Teng-fei，XU Chao

（西安工業(yè)大學機電學院 ）

（Xi’an Technological University School of Mechatronic Engineering ）

1 引言

傳統(tǒng)的三維建模是通過相機地面拍照，得到建筑物側面紋理[1]，后期利用3ds max做出假的三維模型白板，然后將建筑物紋理貼在白板模型上，得到建筑物三維模型[2]。由于是人工地面采集紋理，這種方法得到的三維模型在模型頂部會有紋理丟失，而且工藝復雜，生產(chǎn)成本高，并不適合大面積實景三維建模?；跓o人機的傾斜攝影測量技術是近年來發(fā)展起來的一項新的測量技術，該項目技術的應用改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，通過在同一飛行平臺上搭載 5 臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像，拍攝相片時，同時記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標等參數(shù)，然后對傾斜影像進行分析和整理[3,4]。在一個時段，飛機連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在 3張相片上被找到，這樣通過相同行建筑物結構分析，通過測量距離的測量角度的換算，構建景物的三維實體模型，向用戶提供真實直觀的實景信息。目前，傾斜攝影測量技術已經(jīng)應用于實際的生產(chǎn)實踐[5],已有大量的數(shù)字航測公司通過無人機傾斜攝影技術用來構建三維數(shù)字城市模型[6,7]。

美國2001年“9·11事件”發(fā)生幾個小時后，就利用實景三維建模技術還原了現(xiàn)場情況，而我國最近幾年才開始對實景三維建模技術進行研究。2010年，北京天下圖首次將實景三維建模技術引入我國，雖然我國起步較晚，但是傾斜攝影進入我國后，得到了快速的發(fā)展，在三維數(shù)字城市構建中被廣泛應用。

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、人工智能、社交網(wǎng)絡、知識管理、虛擬現(xiàn)實等新興信息技術在高校中的廣泛應用，信息技術與教育教學業(yè)務的融合越來越深入，高校信息化由管理信息化發(fā)展為教育教學全面信息化，信息技術與教育教學的關系從組合、整合演進到融合創(chuàng)新。智慧校園建設已經(jīng)成為當前階段高校信息化發(fā)展的必然訴求。學校的校區(qū)結構及各建筑物是師生活動的場所，校園的三維數(shù)字化平臺是智慧校園建設的基礎。

圖1 三維實景模型的構建流程圖

2 校區(qū)三維實景模型的構建方案

通過構建校園三維數(shù)字化平臺，可以方便學生學習和生活，提高校園安全保障能力和校區(qū)突發(fā)事件的應急響應能力；通過校區(qū)三維數(shù)字化展示，可以直觀對校區(qū)全景瀏覽，加深對校區(qū)印象，提高學校對外展示宣傳水平，進一步提升學校的競爭力；在三維實景模型的基礎上進行智慧校園的建設，可以使信息系統(tǒng)與實物地理位置結合，真正實現(xiàn)校區(qū)各類活動實景再現(xiàn)。本文通過基于無人機的三維建模技術重構校區(qū)實景模型，構建方案如圖1所示，首先通過無人機航拍的連續(xù)圖像，實現(xiàn)校區(qū)基本數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、與影像對應的POS數(shù)據(jù)以及在校區(qū)設定位置上的像控數(shù)據(jù)。前二者用于構建模型，后者主要用于對模型進行精度校正。然后對獲取的航片數(shù)據(jù)進行空三加密，提取其特征點并進行特征匹配；再通過紋理匹配完成三維基本模型構建；為了進一步提高構建模型的精度和真實感，最后進行紋理映射生成、模型紋理編輯后生成三維實景模型。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括地面像控點采集、傾斜影像采集、POS數(shù)據(jù)采集。為了提高實景三維模型的空間位置坐標精度，防止模型的扭曲、拉伸，需要在地面添加像控點；然后根據(jù)拍攝區(qū)形狀和大小、建模精度設置拍攝參數(shù)，進行航線規(guī)劃，通過多航線飛行獲取各角度的圖像。

3.1 地面像控點數(shù)據(jù)采集

3.1.1 地面像控點的布設

像控點的布點方法有：全野外布點、航線網(wǎng)布點和區(qū)域網(wǎng)布點[8，9]。無人機傾斜攝影像控點布置方式主要采用區(qū)域網(wǎng)布點，遵循空中三角測量精度準則。從Google earth測量校區(qū)約為1km2的四邊形區(qū)域，如圖2所示。

圖2 像控點布設分布圖

對該區(qū)域進行像控點布設，根據(jù)以下位置優(yōu)選原則[10]：選用的像控點應清晰可辨，在航片中可以清晰的看到點位；布設像控點應盡量選擇平地，布設點平面的周圍2m內盡量不要有超過1m的高程差；飛行區(qū)域邊沿像控點布設應布設在在飛行區(qū)域邊沿40m-100m以內，不能在邊沿線上布設；像控點應盡量選擇在旁向重疊航片（指正攝航片）中線的的附近。

設計布設像控點方式如圖2所示，共有8個像控點，依次在圖中作標注。

3.1.2 地面像控點測量

像控點的測量一般是通過地面GPS設備得到精確的坐標位置，目前測量精度較高的為實時動態(tài)差分設備（RTK），該系統(tǒng)最少由兩臺設備組成，一臺基準站，一臺移動站，通過移動站不斷與基準站數(shù)據(jù)解算，獲得點位的精確坐標。測量點位時，需要確定RTK設備一直處于固定解狀態(tài)；架設RTK基準站收到衛(wèi)星的數(shù)量大于15顆；采集每一個像控點的次數(shù)應大于2次，最后觀察數(shù)據(jù)，若相差較大，則重新測量；若相差不大，取平均值作為最后結果。

經(jīng)過測量得到實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3.2 無人機傾斜攝影影像數(shù)據(jù)采集

采用無人機數(shù)據(jù)采用時確定拍攝比例為1：200，采用中海達公司的5鏡頭傾斜攝影相機，該相機參數(shù)如下：焦距正攝16mm，其余20 mm；像素為5456×3632，傳感器尺寸23.2×15.4 mm2，像元尺寸0.00425 mm，地面分辨率為0.02m。

3.2.1 無人機傾斜攝影參數(shù)確定

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，需要進行設計無人機航線設置，確定航線指標，包括航高，航向重疊率和旁向重疊率。

攝影行高H由下式?jīng)Q定

其中：f為鏡頭焦距；a為像元尺寸；dG為地面分辨率。

表1 像控點坐標

初步確定航高為75.29m。

重疊率計算需要通過像點位移來確定，以保證圖像的清晰性。根據(jù)飛機飛行速度、曝光時間和影像地面分辨率利用下面公式可以計算出像點位移量：

式中：δ為像點位移；V為無人機速度km/h；t為相機曝光時間，s。

在無人機速度為36 km/h條件下，可以算出像點位移和地面分辨率、曝光時間的關系如表2所示。

根據(jù)攝影測量學標準，像點位移不能大于0.5，地面分辨率為0.02，因而選擇曝光時間為1/1000S。

通過上述計算，設置本次數(shù)據(jù)采集的參數(shù)為：航向重疊率：80%，旁向重疊率70%，航高為70m。

3.2.2 無人機航線規(guī)劃

根據(jù)以上計算結果，在無人機地面站軟件中規(guī)劃航線，共39條，如圖3所示。

圖3 校區(qū)航線規(guī)劃圖

3.2.3 外業(yè)航飛

外業(yè)航飛通過無人機掛載的五鏡頭相機（包括正射，前視，后視，左視，右視），在一個曝光點獲得五個方位的航片， 曝光點如圖4所示，當飛機到達飛行位置的同時，飛控會給五個相機觸發(fā)信號，使五個相機同時觸發(fā)拍照。

3.3 無人機POS數(shù)據(jù)獲取

無人機航片POS數(shù)據(jù)包括慣性測量數(shù)據(jù)（IUM）和動態(tài)GPS數(shù)據(jù)，在傾斜攝影中只需要動態(tài)GPS數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)的獲取有多種方式，一種是使用無人機自身IUM與GPS獲得，另外一種是外置POS系統(tǒng)。一般來講，在精度要求不高的小面積傾斜攝影中，無人機自身的POS系統(tǒng)就可以滿足要求。在本次試驗中采用GPS后差分技術（PPK），即采用的外置GPS系統(tǒng)由一個地面基準站和一個機載移動站組成，當無人機到達預設航點觸發(fā)相機拍照，相機拍照同時觸發(fā)機載GPS設備記錄曝光點，后期將得到的機載數(shù)據(jù)與地面基站數(shù)據(jù)進行處理。

表2 像點位移與曝光時間和地面分辨率的關系

圖3 航飛中的相機曝光點

4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括前期數(shù)據(jù)檢查，照片勻光勻色，照片畸變校正[10]，這些工作為ContextCapture Master三維建模做好數(shù)據(jù)基礎。

4.1 航片前期數(shù)據(jù)處理

在處理照片之前，要對照片進行檢查，主要檢查的項目有：實際照片數(shù)量與理論照片數(shù)量相差是否在誤差范圍內；照片是否有虛焦，色彩不真實現(xiàn)象；POS與照片的數(shù)量是否嚴格一致；照片的質量是否滿足要求。

4.2 ContextCapture Master三維建模

ContextCapture Master是美國著名軟件公司Bentley研發(fā)的一款實景三維建模軟件，該軟件目前可以做到自動化、高效批量化處理大面積傾斜攝影數(shù)據(jù)。雖然在建模時會由于特征點匹配不足產(chǎn)生模型漏洞，但是目前對于大面積自動化建模仍然是比較優(yōu)秀的軟件。

應用ContextCapture Master軟件建模流程如下。

第1步：航片，POS數(shù)據(jù)，像控點坐標倒入

首先將以上三種文件倒入對應的文件夾中，將POS數(shù)據(jù)寫入航片中，每個架次的五組航片對應一組POS數(shù)據(jù)，這樣就不需要制作excel表格，制作excel表格費時費力，一旦excel表格出錯，原因也很難找出來。因此采用直接寫入POS的方法，寫POS數(shù)據(jù)應用到的軟件是北京三維遠景科技有限公司的產(chǎn)品LocaSpaceViewer。POS寫入航片之后，在軟件中新建工程，再新建block，將所有航片倒入block中，填寫相機傳感器尺寸，焦距等數(shù)據(jù)。

第2步：空三加密

空三加密的過程會對航片進行特征點提取，對提取的特征點再進行同名點匹配，再解算出每張航片的空間位置，以及空間姿態(tài)。空三加密完成后我們可以對整個飛行情況進行評估，刪除沒用的航片，為下一步模型生成打好基礎。

第3步：導入像控點

空三加密完成后會計算出每張航片的位置及姿態(tài)，這樣可以更快的在航片中找到像控點的位置，選擇地面像控點的坐標導入，為得到高精度三維模型打好了基礎。

第4步：建模并貼圖

經(jīng)過空三加密獲得了大量高密度點云數(shù)據(jù)，軟件通過空山加密點計算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并生成沒有貼圖的瓦片，通過瓦片的位置從航片中得到貼圖紋理，最后輸出實景三維模型。

圖5 校區(qū)實景三維模型

圖6 加載后校區(qū)三維效果圖

4.3 模型的加載

以最新網(wǎng)頁語言 HTML5前端框架采用Nodepad++平臺對其編譯進行模型加載，本案例選用（.b3dm）數(shù)據(jù) ，保證大規(guī)模傾斜三維模型在 Web 瀏覽器順暢瀏覽。加載效果如圖6所示，加載后的模型清晰度好，圖像質量大大提升，該模型可作為智慧校園建設的平臺。

5 結論

本文提出基于五鏡頭無人機傾斜攝影的三維建模技術來重構校區(qū)實景模型，利用在校區(qū)內布置像控點、通過RTK測出像控點的精確坐標的方法，為模型的精度提供保證；利用現(xiàn)有設施和建模要求確定采集時參數(shù)設置，然后劃分校區(qū)地理區(qū)域，按參數(shù)對無人機進行航線規(guī)劃，對需要建模的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進行采集；應用ContextCapture Master軟件以采集后的獲取的航片數(shù)據(jù)進行空三加密，提取其特征點并進行特征匹配，完成三維精確模型的構建；為了進一步提高構建模型的精度和真實感，最后用（.b3dm）數(shù)據(jù)對模型進行了加載，加載后的模型精度高、清晰度好，可以作為智慧校園建設的三維平臺。

[1]王琳,吳正鵬,姜興鈺,陳楚.無人機傾斜攝影技術在三維城市建模中的應用[J].測繪與空間地理信息,2015,38(12):30-32.

[2]張鑫鑫,王冬,趙鳳梧.基于A3航空攝影系統(tǒng)和Smart3d軟件快速進行實景影像三維模型生產(chǎn)[J].城市勘測,2017(1):76-81.

[3]楊永明. 無人機遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理關鍵技術研究[D].昆明理工大學,2016.

[4]張驥,高釗,陳容.基于Leica RCD 30傾斜航攝儀和Smart 3D技術快速進行城市三維實景生產(chǎn)[J].測繪技術裝備,2014,16(3):61-64.

[5]陳姣. 無人機航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應用研究[D].昆明理工大學,2013.[6]李瑩,林宗堅,蘇國中,楊應.Smart 3D數(shù)據(jù)的三維模型重建[J].測繪科學,2017,42(9):88-93.

[7]戴竹紅,李柳興,鄒發(fā)東.基于SMART3D的實景三維建模與應用[J].廣西城鎮(zhèn)建設,2015(4):113-115.

[8]張海波. DGPS/IMU輔助航空攝影航片處理方法[D].遼寧工程技術大學,2013.[9]楊程.實景三維技術在數(shù)字城市建設的應用[J].智能建筑與智慧城市,2018(1):80-81.

[10]趙志剛. 航空攝影測量外業(yè)像控點布設的精度分析及應用[D].長安大學,2015.