● 黃祥雄,呂日清,賓 琰

（1.廣西有色勘察設計研究院，廣西 南寧 530031；2.貴港市自然資源局，廣西 貴港 537100；3.南寧師范大學，廣西 南寧 530001）

城市實景三維作為數(shù)字城市建設的重要核心組成部分，其建模技術正朝著高精度、高效率、低成本的方向發(fā)展。傳統(tǒng)航空攝影測量構建的城市三維模型工作量大、過程復雜、自動化程度低[1]，缺少與地物信息的融合，導致建模效果不佳，難以滿足數(shù)字城市建設的需要。低空無人機傾斜攝影測量技術已逐步取代了傳統(tǒng)航空傾斜攝影模式，被廣泛應用到數(shù)字城市三維建模工作中[2?3]。

近年來，隨著無人機技術的快速發(fā)展，無人機的續(xù)航時間、定位精度、操控性等都得到了大幅提升，為消費級單鏡頭無人機在城市三維建模推廣應用提供了技術支持。相對于傳統(tǒng)多鏡頭無人機而言，消費級單鏡頭無人機具有明顯的價格優(yōu)勢，飛行更加靈活。研究小組基于消費級單鏡頭無人機，設計“井”字型航線獲取城市建筑物傾斜影像數(shù)據(jù)，利用Smart3D軟件構建實景三維模型，最后從模型成果的平面精度、高程精度及建模效果進行探討。

1 單鏡頭無人機的傾斜攝影測量

1.1 單鏡頭無人機的優(yōu)勢

在小區(qū)域航攝中，消費級單鏡頭無人機可根據(jù)航攝任務要求、地物特點，合理設計航線，進而能夠全方位地對地物進行拍攝，獲取同一地物多角度的影像數(shù)據(jù)。因此，在小區(qū)域范圍內(nèi)的航攝任務中，消費級單鏡頭無人機相較于多鏡頭無人機具有視角靈活、操作簡單、價格低等優(yōu)勢。

1.2 單鏡頭無人機傾斜攝影測量工作流程

單鏡頭無人機傾斜攝影測量三維建模的工作技術流程主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括：（1）像控點布測。根據(jù)研究對象和區(qū)域地物特點進行像控點布設和測量。（2）多角度影像數(shù)據(jù)獲取。合理規(guī)劃航線，采用無人機外業(yè)獲取研究對象的多視角影像數(shù)據(jù)。（3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與三維建模。采用Smart3D 軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，主要包括空中三角測量、影響匹配、生成點云、構建三維模型、模型精修。基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模技術流程如圖1 所示。

圖1 單鏡頭無人機傾斜攝影測量三維建模技術流程圖

2 實例數(shù)據(jù)采集

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于南寧市區(qū)，區(qū)域地勢相對平坦，滿足消費級單鏡頭無人機飛行條件。此次實驗選擇的某棟建筑高約110m，總建筑面積約5.7 萬m2，建筑立面外形由不同半徑的圓弧或橢圓弧結構組合而成，頂面結構高低錯落。相對于正方立面和平整頂面，該建筑結構更復雜，要實現(xiàn)逼真的實景三維模型需要重點處理好立面錯落區(qū)域和頂面破碎結構的細節(jié)，這需要更多的影像數(shù)據(jù)、更科學的航拍設計以及更好的內(nèi)業(yè)建模水平。相對城市少數(shù)極度復雜的建筑，該建筑復雜程度適中，如果研究能較好地實現(xiàn)該類建筑的實景三維建模模型，則可以運用于城市中大多數(shù)同類建筑中。因此，選擇該建筑在技術方案和成本類比方面具有代表性。

2.2 像控點布設與測量

像控點選點要綜合考慮成圖精度、測區(qū)情況、航線設計等因素。研究區(qū)內(nèi)建筑物較高，四周均有樹木，所以選點應避免靠近建筑物、樹木及反射物體等，減少RTK 接收的衛(wèi)星信號受到的干擾。

為保證像控點測量精度滿足建模需要，研究小組對像控點RTK 測量使用了輔助三角架固定儀，對中桿氣泡嚴格居中后再重復進行3 次RTK 測量，在規(guī)范允許范圍內(nèi)取其平均值作為最終成果。此次外業(yè)布測得到了6 個CGCS2000坐標系下的像控點坐標，像控點三維坐標成果如表1 所示。

表1 像控點三維坐標數(shù)據(jù)表

2.3 影像數(shù)據(jù)獲取

此次研究利用大疆精靈4 無人機（單鏡頭）進行影像數(shù)據(jù)采集，通過設計“井”字型航線實現(xiàn)模擬多鏡頭影像數(shù)據(jù)獲取。

“井”字型航線是由兩個航帶垂直相交構成“井”字，使“井”字航線覆蓋整個研究區(qū)，如圖2（a）所示。由于消費級無人機只配備了單個鏡頭，航攝時設置鏡頭仰角為45°，使得“井”字航線交會處能夠獲取建筑物4 個方向的傾斜影像，如圖2（b）為單鏡頭無人機獲取建筑物4 個視角的影像。

圖2 “井”字型航線示意圖

研究區(qū)域面積約為26m2，研究小組結合測區(qū)及周邊實際情況共設計了24 條航線，旁向重疊度為70%，航向重疊度設為80%，航攝相對航高130m。共拍攝高質量影像227 張，影像地面分辨率為3.5cm。

3 內(nèi)業(yè)三維建模與分析

3.1 空中三角測量數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)三維建模采用了Smart3D 軟件。將影像數(shù)據(jù)導入Smart3D 軟件進行影像組檢查，查看影像是否完整。對于缺失影像要返回影像組重新整理或外業(yè)補拍，以保證相片的完整性?？罩腥菧y量處理前完成6 個像控點的刺點，保證像控點刺點誤差＜1 個像元。影像組檢查和像控點刺點完成后，按要求設置軟件的各項參數(shù)開始空中三角測量數(shù)據(jù)處理。最后，查看空中三角測量的精度報告，確認處理精度達到規(guī)范要求。

3.2 三維建模

完成空中三角測量數(shù)據(jù)處理后，設置相關輸出目錄、參數(shù)后即可開始自動三維建模。建模過程主要包括：（1）多視影像匹配，得到地物的點云數(shù)據(jù)；（2）構建TIN 模型，為了提高效率，可在軟件中設置對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分割，快速生成三角網(wǎng)，便于三維模型構建；（3）自動紋理關聯(lián)，為了優(yōu)化結構、提高模型的可視化效率，通過自動紋理關聯(lián)技術完成模型的紋理配準，最終得到實景三維模型。

3.3 三維模型精度分析

3.3.1 三維建模效果分析

經(jīng)過Smart3D 軟件數(shù)據(jù)處理后，最終獲得研究區(qū)建筑物的三維模型。為驗證三維模型的構建效果，需檢查三維模型外部完整性與模型細節(jié)。為此，研究小組將構建的建筑物實景三維模型與該真實建筑物進行對比。圖3 為建筑物實景三維模型某一視角的效果圖，圖4 為建筑物實景三維模型垂直視角的細節(jié)展示圖。

圖3 建筑物實景三維模型圖

圖4 建筑物實景三維模型細節(jié)展示圖

由圖3 可知，模型紋理清晰，建筑物棱角、墻體文字、窗戶等均易分辨，與該建筑物外觀整體上一致。從圖4 可知，在模型細節(jié)上雖然還能辨認出建筑物頂部的太陽能板、衛(wèi)星接收天線，但部分細節(jié)處出現(xiàn)模糊的現(xiàn)象，表明模型復雜部分的建模還需改善。

經(jīng)分析，該模型復雜部分出現(xiàn)模糊的情況是因為Smart3D 軟件自動建模時細節(jié)處理不完善所導致。實驗表明，基于消費級單鏡頭無人機傾斜攝影測量，利用Smart3D 軟件構建建筑物實景三維模型，能夠較為完整還原建筑物的物理原貌，但模型復雜部分的細節(jié)層次仍存在一些不足之處。

3.3.2 三維模型精度評定

為了檢測Smart3D 軟件構建的建筑物三維模型整體精度，研究小組使用RTK 實測了5 個特征明顯的檢測點，與三維模型中量測得到的同名檢測點坐標進行對比，統(tǒng)計各檢測點x、y坐標較差和高程h 較差，結果如表2 所示。

表2 三維模型檢測點坐標較差統(tǒng)計表

由表2 統(tǒng)計的5 個同名檢測點三維坐標較差結果可知，x 分量最大差值為13.0cm，中誤差為11.1cm，y 分量最大差值為13.5cm，中誤差為11.5cm；平面最大較差為17.2cm，最小較差14.5cm，中誤差為16.3cm；高程最大差值為18.7cm，最小差值為17.6cm，中誤差為17.7cm?！度S地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015?2012）[4]中明確了1∶500 比例尺（Ⅰ級）三維模型平面中誤差應＜30cm，高程中誤差＜50cm。因此，此次構建的實景三維模型精度達到了1∶500 比例尺Ⅰ級精度指標要求。

4 結語

研究小組采用消費級單鏡頭無人機，設計“井”字型航線采集得到227 張城市建筑物的多角度影像作為數(shù)據(jù)源，利用Smart3D 軟件建立實景三維模型，同時對獲得的三維模型效果及其精度進行分析。研究結果表明，此次構建的建筑物實景三維模型整體性較好，與真實建筑物相比具有較好的一致性；三維模型精度滿足1∶500 比例尺Ⅰ級精度指標要求。

此次研究中，模型復雜部分對應的建筑實體往往是結構錯落區(qū)域，形態(tài)破碎。受到無人機飛行姿態(tài)影響，部分數(shù)據(jù)較難獲?。徊糠中∥矬w在風力等因素干擾下易做不規(guī)則運動，也會導致無人機無法獲取足夠合格的靜態(tài)數(shù)據(jù)，因此，部分建模會出現(xiàn)模糊的情況。今后的研究中，復雜建筑的航拍工作應選擇在風力比較低的晴朗天氣下進行，減少風力干擾；對建筑物形態(tài)破碎的復雜部位可通過人工近景拍攝并相控糾正，采取空地一體化的建模方式盡可能地還原實景三維模型。