張桂彬 田慶操 崔迎澳 馬紅楷 程照陽(yáng)

摘? 要：以鄭州師范學(xué)院圖書(shū)館為研究對(duì)象，采用小型多旋翼無(wú)人機(jī)搭載單相機(jī)，以環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式兩種途徑獲取圖像數(shù)據(jù)，利用Agisoft PhotoScan對(duì)兩種航拍方式獲取的數(shù)據(jù)建立模型，通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)環(huán)繞式航拍方式用時(shí)較短，獲取的有效點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多，基于此方式建立的三維模型紋理更加清晰，但這種方式的使用受目標(biāo)建筑周邊環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：塔式建筑;無(wú)人機(jī);環(huán)繞式航拍;三維建模

中圖分類號(hào)：TP391.41;P231? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0076-05

Research on Three Dimension Tower Modeling Based on

UAV Oblique Photography Technology

ZHANG Guibin，TIAN Qingcao，CUI Yingao，MA Hongkai，CHENG Zhaoyang

（Zhengzhou Normal University，Zhengzhou? 450044，China）

Abstract：Taking the library of Zhengzhou Normal University as the research object，the small multi rotor UAV with a single camera is used to obtain image data in two ways，surround aerial photography and traditional well shape aerial photography. Agisof PhotoScan is used to establish the model of data obtained through the two aerial photography ways. Through contrastive analysis，it is found that the surround aerial photography takes a short time and obtains effective point cloud data is more than that of the other way. The texture of 3D model constructed based on this way is more clearer，however，the usage of this way is affected by the surrounding environment of the target building.

Keywords：tower building;UAV;surround aerial photography;three dimension modeling

0? 引? 言

多年以來(lái)的自然環(huán)境變化以及受多方面人為因素的影響，很多歷史建筑遭到了破壞，這對(duì)歷史建筑的保護(hù)更新工作來(lái)說(shuō)是不可逆的，這讓一些歷史建筑失去很多有價(jià)值的信息[1]。為更好地保護(hù)這些文化遺產(chǎn)，避免巴黎圣母院的悲劇再次發(fā)生，采用傾斜攝影技術(shù)建立古建筑三維模型可為古建筑的研究、修復(fù)、重建等工作提供有力支持。

廣義上講，建筑的任意邊長(zhǎng)與高的比小于1的建筑都可以稱為“塔”式建筑。相對(duì)于傳統(tǒng)建筑，塔式建筑的紋理結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)拍照方式拍攝時(shí)攝像頭的位置固定，拍攝過(guò)程中可能出現(xiàn)觀測(cè)盲區(qū)，使得采集的信息不全面，進(jìn)而影響三維建模。

基于傳統(tǒng)建模方法的AutoCAD建模、3Dmax建模、SkecthUp建模成本較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高程度的自動(dòng)化，因而難以解決復(fù)雜地理場(chǎng)景建模的相關(guān)問(wèn)題。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的日益成熟極大地推動(dòng)了三維建模的發(fā)展[2]。本文將就塔式建筑三維建模問(wèn)題展開(kāi)討論，通過(guò)對(duì)比環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式，探究更適于塔式結(jié)構(gòu)建筑在三維建模過(guò)程中采用的航拍方式。

1? 傾斜攝影與三維建模

1.1? 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和多傳感器集成技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它擺脫了傳統(tǒng)豎直航空攝影系統(tǒng)受空間攝影姿態(tài)的束縛，能夠很好地獲取地形、地物的頂部與側(cè)面的紋理信息，影像信息數(shù)據(jù)較大，利用多視角傾斜數(shù)碼相機(jī)或單鏡頭旋轉(zhuǎn)相機(jī)，在不同角度獲取目標(biāo)物對(duì)應(yīng)的影像，所拍攝的影像具有豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，可以生成密集三維點(diǎn)云和TIN格網(wǎng)模型，能在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)實(shí)景建模模型快速地進(jìn)行自動(dòng)化處理[3]。

傾斜攝影技術(shù)突破了傳統(tǒng)的正射影像只能從垂直角度拍攝的限制，操作者可通過(guò)搭載了多臺(tái)傳感器的飛行平臺(tái)，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)角度采集影像，能更加直觀地觀看真實(shí)世界。相較于傳統(tǒng)的正射航拍，傾斜攝影可以多角度采集建筑的紋理細(xì)節(jié)，能夠在后期三維建模中更為直觀地展現(xiàn)建筑的特征。

1.2? 路線規(guī)劃

路線規(guī)劃前，應(yīng)先確定需要拍攝地點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)，記錄無(wú)人機(jī)傳感器的類型，設(shè)置影像的重疊度、影像拍攝間隔以及分辨率，提前布設(shè)好像控點(diǎn)[2]。本次實(shí)驗(yàn)分別采用環(huán)繞式多角度航拍和傳統(tǒng)的井字形航拍這兩種方式制定航拍路線。

如圖1所示的環(huán)繞式航拍路線設(shè)置前需要先找到一個(gè)合適的興趣點(diǎn)中心，其次根據(jù)建筑物的大小確定環(huán)繞半徑，以確保最大限度地實(shí)現(xiàn)拍攝目標(biāo)全面化。如圖2所示的井字形航拍路線的制定需要事先確定無(wú)人機(jī)拍攝區(qū)域，一般以正方形為主，接下來(lái)確定飛機(jī)的航拍高度，保證飛機(jī)在飛行過(guò)程中不會(huì)碰撞建筑物。

1.3? 技術(shù)原理

環(huán)繞拍攝方式是以某建筑物的中心為原點(diǎn)，讓無(wú)人機(jī)以一個(gè)合適的半徑環(huán)繞路線拍攝，要求航拍照片向上重疊度不小于80%，旁向重疊度不小于50%，整個(gè)航拍過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)手柄變換相機(jī)的拍攝角度，拍攝覆蓋范圍僅僅圍繞拍攝對(duì)象;傳統(tǒng)的井字形拍攝方式是讓無(wú)人機(jī)以圖2所示的航線進(jìn)行拍攝，每個(gè)拍攝階段相機(jī)鏡頭固定，且不能用手柄控制調(diào)節(jié)相機(jī)角度，拍攝覆蓋范圍相對(duì)較大。

2? 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

為了更好地探究?jī)煞N無(wú)人機(jī)拍攝方式的區(qū)別，本次實(shí)驗(yàn)選擇鄭州師范學(xué)院圖書(shū)館為研究區(qū)域，圖書(shū)館作為鄭州師范學(xué)院的標(biāo)志性建筑，內(nèi)含大量紙質(zhì)書(shū)籍和電子書(shū)籍，于2008年10月建成，建筑面積達(dá)30 000平方米，東西向?qū)挾燃s110米，南北向?qū)挾燃s116米，高度約53米。

2.1? 設(shè)備選取

本文選取了大疆御Mavic Pro無(wú)人機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)采用的是一顆1 200萬(wàn)像素的航拍攝像頭，可拍攝JPG和RAW格式照片;云臺(tái)可變動(dòng)范圍為俯仰-90°至+30°;無(wú)人機(jī)搭配三節(jié)電池，能夠充分保證拍攝過(guò)程的續(xù)航，滿足了實(shí)驗(yàn)需要。

Agisoft PhotoScan是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像，可以自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的3D掃描軟件，借助多視圖三維重建技術(shù)，它可以處理任意種類的照片，小到玩具模型微小照片，大到航拍巨幅照片，操作時(shí)只需在軟件中導(dǎo)入具有一定重疊率的數(shù)碼影像，便可生成高質(zhì)量的正射影像及重建的三維模型[4]。

2.2? 數(shù)據(jù)獲取

獲取傾斜數(shù)據(jù)的步驟主要分為測(cè)區(qū)踏勘、航線設(shè)計(jì)和飛行實(shí)施3個(gè)環(huán)節(jié)。首先需要進(jìn)行實(shí)地考察，獲取測(cè)區(qū)的地形;接著按照影像質(zhì)量要求，設(shè)置飛行航高、重疊度，最后對(duì)整個(gè)航攝飛行方向進(jìn)行航線規(guī)劃[5]。

針對(duì)圖書(shū)館的建筑特點(diǎn)，通過(guò)飛行控制軟件DJIGO 4規(guī)劃環(huán)繞式拍攝路線，環(huán)繞式路線拍攝輸入?yún)?shù)為：拍攝高度100米，以圖書(shū)館所在地高度為100米水平面的幾何中心為環(huán)繞原點(diǎn)，環(huán)繞半徑50米，航攝共采集該建筑820張圖像，整個(gè)航攝過(guò)程環(huán)繞拍攝三圈，用時(shí)約15分鐘。

通過(guò)傳統(tǒng)的飛行控制軟件Altizure規(guī)劃航拍路線，井字形方式航拍路線輸入?yún)?shù)為：航拍高度100米，航向重疊率85%，旁向重疊率85%，航攝過(guò)程共采集1 215張圖像，整個(gè)過(guò)程用時(shí)約40分鐘。

2.3? 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)攝影測(cè)量原理，Agisoft PhotoScan可以對(duì)拍攝圖像的位置、坐標(biāo)等信息進(jìn)行計(jì)算，其內(nèi)定向、相對(duì)定向以及絕對(duì)定向都可以自動(dòng)完成，不需要人為干涉。利用該軟件對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體步驟為：

2.3.1? 圖像預(yù)處理

剛拍攝的影像由于可能會(huì)存在漏拍、色差嚴(yán)重、云霧遮擋、不合理曝光等不良狀況，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，主要包括航拍照片質(zhì)量檢查、圖像曝光度調(diào)整、圖像增強(qiáng)、刪除無(wú)法修復(fù)的圖像等[5]。

2.3.2? 對(duì)齊照片

將預(yù)處理的圖像導(dǎo)入并“添加相機(jī)”，這里導(dǎo)入拍攝的影像數(shù)據(jù)的順序必須依照航線走向且連續(xù)，中間不能有空洞，如圖3所示。點(diǎn)擊“對(duì)齊照片”按鈕，軟件就會(huì)根據(jù)航拍圖像的坐標(biāo)、高程信息以及相似度自動(dòng)排列圖像，并自動(dòng)計(jì)算出相機(jī)和拍攝物體的相對(duì)位置，最終形成一些稀疏點(diǎn)云和相機(jī)的位置，如圖4所示。

2.3.3? 生成密集點(diǎn)云

密集點(diǎn)云是根據(jù)相機(jī)位置和圖片本身生成的點(diǎn)云，這里需要根據(jù)生成的點(diǎn)云的分布位置，調(diào)整工作區(qū)域的范圍大小，確保工作區(qū)域大于物體模型，生成的點(diǎn)云質(zhì)量越高，對(duì)設(shè)備性能的要求越高，生成點(diǎn)云速度越慢，最后成像的質(zhì)量也會(huì)越好。

其中環(huán)繞式航拍方式經(jīng)過(guò)自動(dòng)定向生成質(zhì)量為“中”的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

2.3.4? 生成網(wǎng)格

根據(jù)生成的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成多邊形網(wǎng)格模型，根據(jù)需要，生成網(wǎng)格模型的源數(shù)據(jù)既可以是“對(duì)齊照片”時(shí)生成的稀疏點(diǎn)云，也可以是密集點(diǎn)云。生成網(wǎng)格后可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行編輯，環(huán)繞式航拍方式生成的網(wǎng)格如圖6所示。

2.3.5? 生成紋理

根據(jù)添加到軟件的照片信息給拍攝對(duì)象貼圖，Texture Type選擇“紋理映射”，源數(shù)據(jù)選擇“Images”，混合模式選擇“馬賽克”，紋理大小為4 096，生成紋理如圖7所示。

3? 對(duì)比分析

按照上述數(shù)據(jù)操作流程，分別得出環(huán)繞式航拍路線與傳統(tǒng)的井字形航拍路線的相機(jī)對(duì)準(zhǔn)位置，如圖8和圖9所示，可以看出環(huán)繞式航拍路線的相機(jī)角度存在大幅度的重疊，目標(biāo)建筑周圍點(diǎn)云分布較集中，沒(méi)有太多冗余的點(diǎn)云;傳統(tǒng)的井字形航拍路線的相機(jī)角度重疊度較低，目標(biāo)建筑周圍存在大量冗余的點(diǎn)云，點(diǎn)云的多少取決于處理數(shù)據(jù)量的多少，在一些大型工程中，多余的點(diǎn)云將會(huì)拖慢計(jì)算機(jī)處理速度，進(jìn)而影響工程進(jìn)度。

接下來(lái)對(duì)比環(huán)繞式航拍和傳統(tǒng)的井字形航拍所生成的模型細(xì)節(jié)，從側(cè)面來(lái)看如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)繞式航拍下的圖書(shū)館模型墻的棱角清晰，而傳統(tǒng)的井字形航拍下的圖書(shū)館模型墻的部分紋理出現(xiàn)扭曲，建模效果略差;將圖書(shū)館紅色墻面部分與實(shí)際建筑對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)的井字形航拍模式下的效果相對(duì)較好。

從頂部看如圖11所示，可以看到環(huán)繞式航拍下的模型的頂部紋理細(xì)節(jié)較完整，體現(xiàn)在頂部設(shè)施的分布位置和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的井字形航拍模型相比更加清晰，能夠直觀地分辨出地物;環(huán)繞式航拍下模型頂部輪廓棱角分明，而傳統(tǒng)的井字形航拍模型頂部輪廓出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，影響了模型質(zhì)量。

4? 結(jié)? 論

本文以鄭州師范學(xué)院圖書(shū)館為拍攝目標(biāo)，分別采用兩種無(wú)人機(jī)航拍方式，對(duì)比研究環(huán)繞式航拍方式和傳統(tǒng)的井字形航拍方式的優(yōu)缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：

（1）時(shí)間方面。環(huán)繞式航拍方式用時(shí)通常較短，一般需要10～20分鐘，傳統(tǒng)的井字形航拍方式則用時(shí)較長(zhǎng)，一般需要40～50分鐘;

（2）點(diǎn)云細(xì)節(jié)方面。環(huán)繞式航拍路線是畫(huà)圓，照片重疊度較高，所獲取的圖像數(shù)據(jù)生成的點(diǎn)云大部分集中在目標(biāo)建筑上，井字形航拍路線是直線，照片重疊度相對(duì)較低，存在獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離目標(biāo)建筑較遠(yuǎn)，造成數(shù)據(jù)冗余;

（3）模型本身細(xì)節(jié)方面。從側(cè)面看，環(huán)繞式航拍建立的模型表面輪廓清晰真實(shí)，傳統(tǒng)的井字形航拍模型存在部分紋理彎曲現(xiàn)象;從頂部來(lái)看，環(huán)繞式模型表面紋理清晰可見(jiàn)，傳統(tǒng)的井字形表面紋理模糊不清。

綜上所述，在塔式建筑的三維建模過(guò)程中，環(huán)繞式航拍方式更加節(jié)省時(shí)間，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不存在過(guò)多冗余，相同的數(shù)據(jù)量下建立的模型細(xì)節(jié)更優(yōu)，是一種方便高效的航拍方式;但由于部分傳統(tǒng)的塔式建筑周圍存在其他建筑遮擋現(xiàn)象，環(huán)繞式航拍可能會(huì)給飛機(jī)帶來(lái)安全隱患。因此，雖然環(huán)繞式航拍方式省時(shí)、高效，但是在選用環(huán)繞式航拍方式時(shí)還需要結(jié)合實(shí)際情況。

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作者簡(jiǎn)介：張桂彬（1999—），男，漢族，河南南陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：地理信息科學(xué);田慶操（2000—），男，漢族，河南濮陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：地理科學(xué);崔迎澳（2000—），男，漢族，河南登封人，本科在讀，研究方向：地理科學(xué);馬紅楷（2000—），男，漢族，河南鶴壁人，本科在讀，研究方向：地理科學(xué);程照陽(yáng)（2000—），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，本科在讀，研究方向：地理信息科學(xué)。