張雪冰，韋 璐，鄭湘輝，周 楊

(1.合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院 教務(wù)部,安徽 合肥 230601; 2.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展和消費級民用無人機的普及，無人機在各個行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。其中，無人機傾斜攝影技術(shù)常被應(yīng)用于城市三維建模、景觀建模、校園建模、道路車輛建模，常用的建模軟件有大疆智圖(DJI Terra)、Metashape、ContextCapture、Pix4D Mapper等。消費級民用無人機搭載單鏡頭可對拍攝目標(biāo)進行四個側(cè)視和一個下視角度的拍攝，通過使用上述建模軟件對無人機采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理，可實現(xiàn)對拍攝目標(biāo)復(fù)雜三維實景模型的構(gòu)建。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對使用傾斜攝影建模進行了不同的研究。張凱想[1]等研究使用Pix4D建模軟件對無人機拍攝的村寨進行數(shù)字正射影像圖(DOM)生成，論述了軟件處理流程及軟件使用注意事項，驗證了使用Pix4D軟件處理無人機采集影像進行建模的可行性；鐘雷文[2]使用Context Capture和大疆智圖(DJI Terra)兩款建模軟件對無人機拍攝的校園建筑進行三維建模，分析了兩款軟件三維建模效果的優(yōu)劣；廖無雙[3]利用數(shù)碼相機采集小型物件影像照片，比較了Agisoft Metashape和Trnio兩款建模軟件使用所采集照片進行建模的流程。以上多位學(xué)者的研究主要針對某一款或兩款建模軟件討論其三維建模流程、建模效果等，很少從三維建模時間復(fù)雜度、模型紋理表現(xiàn)等方面對多款建模軟件進行綜合對比分析。文章使用大疆Mavic2 Pro無人機對校園內(nèi)某一區(qū)域進行傾斜攝影，獲取前、后、左、右和垂直5個不同角度的影像照片，通過大疆智圖、Agisoft Metashape、ContextCapture、Pix4D Mapper四款建模軟件進行三維模型構(gòu)建，對比分析三維建模時間復(fù)雜度和三維模型紋理細(xì)節(jié)表現(xiàn)力，為三維建模軟件的選擇提供一定的參考。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)由垂直攝影技術(shù)發(fā)展而來，民用無人機技術(shù)的快速發(fā)展促使傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，可用于水利工程規(guī)劃和建設(shè)[4]、邊坡監(jiān)測[5]、市政道路設(shè)計[6]等多個方面。使用無人機對拍攝目標(biāo)合理規(guī)劃5條航線進行航拍，可以獲得一條垂直角度和前后左右四條傾斜角度航線上的拍攝影像照片。通過設(shè)置合理的航向和旁向重疊度等飛行參數(shù)，可以確保對于三維建模目標(biāo)構(gòu)筑物特征點在至少三張無人機航攝影像照片中可以找到[7]，同時無人機所拍攝照片會自動保存POS數(shù)據(jù)。在無人機航拍數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理時使用三維建模軟件對采集到的影像照片進行空三加密解算、多視影像密集匹配、點云生成、三維紋理映射和三維模型生成等，就能實現(xiàn)對目標(biāo)構(gòu)筑物三維模型的構(gòu)建。

2 傾斜攝影三維模型構(gòu)建

2.1 傾斜攝影三維模型構(gòu)建流程

傾斜攝影三維模型構(gòu)建包括外業(yè)無人機航拍作業(yè)和內(nèi)業(yè)航拍數(shù)據(jù)處理兩部分。其中外業(yè)無人機航拍作業(yè)包括航拍空域申請、航線規(guī)劃、無人機航拍參數(shù)設(shè)定、像控點布設(shè)等內(nèi)容。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括空三解算、點云生成等環(huán)節(jié)，具體流程見圖1。

2.2 傾斜攝影常用三維建模軟件

2.2.1 大疆智圖

大疆智圖(DJI Terra)軟件是大疆創(chuàng)新推出的一款提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC端無人機航測軟件[2]。提供高、中、低三種重建精度，滿足不同現(xiàn)場建模、電網(wǎng)設(shè)備重建、建筑項目進度跟蹤等多種應(yīng)用的需求，通過導(dǎo)

圖1 傾斜攝影三維模型構(gòu)建流程圖

入多角度拍攝所得影像，自動生成實景三維模型。大疆智圖基于CUDA智能重建算法，可對大規(guī)模數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)進行處理，輸出高質(zhì)量重建結(jié)果。

2.2.2 Metashape

Metashape軟件是俄羅斯Agisoft公司開發(fā)的一款3D實景建模軟件，前身為PhotoScan，Metashape為PhotoScan的后續(xù)版本。Metashape軟件允許將來自RGB或多光譜相機(包括多相機系統(tǒng))的圖像處理為密集點云、紋理多邊形模型、地理參考真實正射影像和DSM/DTM形式的空間信息。Metashape軟件可根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù)，對任意照片進行處理，無需控制點也可以生成真實坐標(biāo)的三維模型，并且圖像對齊和3D模型重建都能自動完成[8-9]。

2.2.3 ContextCapture

ContextCapture軟件是Bentley公司旗下的一款三維實景建模軟件，2015年Bentley公司收購了Acute 3D開發(fā)的Smart 3D建模軟件，推出了ContextCapture。ContextCapture軟件可以在原始照片數(shù)據(jù)符合要求的情況下無須人工干預(yù)或者少量人工干預(yù)進行快速、高效的實景三維建模，并支持多種數(shù)據(jù)格式的輸出[10]。

2.2.4 Pix4D Mapper

Pix4D Mapper是瑞士Pix4D公司研發(fā)的專業(yè)無人機測繪和攝影測量軟件，可搭配PIX4D capture APP實現(xiàn)自動飛行和影像數(shù)據(jù)傳輸，利用采集的RGB、熱成像以及多光譜影像，通過自定義處理區(qū)域，選擇處理選項，添加像控點，生成三維實景模型、正射影像圖等，項目成果可以無縫輸出到任意專業(yè)軟件，如GIS、CAD等。

2.3 無人機平臺參數(shù)

本次實驗選用大疆Mavic2 Pro無人機用作傾斜攝影影像照片采集設(shè)備，無人機相關(guān)硬件參數(shù)見表1。

表1 大疆Mavic2 Pro硬件參數(shù)表

3 實例分析

3.1 實驗區(qū)概況和數(shù)據(jù)采集

文章選擇安徽建筑大學(xué)校園一角作為本次實驗區(qū)域，實驗區(qū)域面積約20 000平方米，地勢無較大起伏，實驗區(qū)建模要素有車輛、路面、路燈、球場、房屋等。

圖2 實驗區(qū)域

本次航拍選用大疆Mavic2 Pro無人機，航線規(guī)劃使用大疆DJI GS Pro軟件，飛行高度設(shè)置為20 m，航向重疊率設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為75%。本次航拍飛行時間小于40分鐘，獲取航拍影像485張。

圖3 傾斜攝影航拍無人機相機位置圖

3.2 車輛建模效果比較

為了比較四款建模軟件對實驗區(qū)內(nèi)車輛的不同建模效果，需要對比車輛前、后、左、右四個面的建模效果。對車輛前、后車標(biāo)和車牌以及車輛左、右面的車門把手是否能標(biāo)識分別賦分值1分和0分，1分表示能識別，0分表示不能識別，車輛建模效果的得分見表2(車牌后三位做了人為模糊處理)。從表2可看出四款建模軟件在車輛建模中的具體表現(xiàn)，ContextCapture和大疆智圖(DJI Terra)車輛建模效果好于Metashape和Pix4Dmapper，主要差距在于車輛細(xì)節(jié)的表現(xiàn)，比如車標(biāo)、車牌的識別度，ContextCapture和大疆智圖(DJI Terra)軟件所生成的車輛模型車牌清晰可辨，而另兩款軟件生成的模型車牌辨識度則較弱。高辨識度的車牌對于車輛事故現(xiàn)場重構(gòu)、車輛識別等應(yīng)用場景具有重要意義。

表2 不同建模軟件車輛建模效果

3.3 路面建模效果比較

路面建模效果的好壞對于交通事故痕跡鑒定、道路路面病害識別等都有重要的意義，表3為四款建模軟件在路面建模上的不同表現(xiàn)，從表3中可以看出ContextCapture和大疆智圖(DJI Terra)建模軟件生成的路面清晰度高，路面車轍紋理表現(xiàn)清晰，另兩款建模軟件的表現(xiàn)則較為一般。根據(jù)路面車轍紋理清晰度給四款建模軟件路面建模效果賦分，車轍紋理清晰得2分，較清晰得1分，模糊得0分，四款建模軟件路面建模效果具體得分見表3。

表3 不同建模軟件路面建模效果

3.4 地面構(gòu)筑物建模效果比較

對于地面其他構(gòu)筑物文章選取了球場鋼絲護網(wǎng)、戶外球場入口提示牌和地面窨井蓋進行建模效果比較，比較結(jié)果匯總于表4。從表4可以看出，對于構(gòu)筑物清晰度的表現(xiàn)仍是ContextCapture和大疆智圖建模軟件好于另兩款建模軟件，但對于護網(wǎng)這類近似平面的構(gòu)筑物，ContextCapture和大疆智圖生成的三維模型較Metashape和Pix4D Mapper更易產(chǎn)生孔洞。同前，根據(jù)不同的建模效果也對四款建模軟件進行賦分，無孔洞、易識別、清晰分別得1分，有孔洞、難識別、不清晰分別得0分，四款建模軟件得到的對應(yīng)分值見表4。

表4 不同建模軟件地面構(gòu)筑物建模效果

3.5 建模時間復(fù)雜度比較

建模時間復(fù)雜度是指三維建模軟件自航拍影像照片導(dǎo)入后，建模軟件進行照片對齊、空三解算、密集點云建立、網(wǎng)格生成、紋理生成等操作所消耗的時間，也是傾斜攝影三維模型構(gòu)建內(nèi)業(yè)處理所消耗的時間。建模時間復(fù)雜度與航拍影像照片的數(shù)量、計算機的硬件配置、三維建模軟件的選擇等密切相關(guān)，隨著航拍影像照片的增多，三維模型生成所消耗的時間也會顯著增大。當(dāng)照片數(shù)量一致、計算機配置相同時，三維建模軟件的選擇會直接影響建模時間復(fù)雜度。根據(jù)表2、表3和表4可以計算出四款三維建模軟件的建模效果得分，經(jīng)過本次實驗統(tǒng)計，四款三維建模軟件建模效果得分和建模所耗時間匯總于表5，從表5中可以看出大疆智圖三維建模耗時明顯低于另外三款建模軟件。

本項目所采用計算機硬件參數(shù)為CPU: AMD Ryzen5 5600X；RAM: 32GB；GPU: NVIDIA GeForce RTX 3080 (Driver: 31.0.15.1694)。根據(jù)四款建模軟件建模效果得分和建模消耗時間可以繪制出建模效果和建模耗時統(tǒng)計圖見圖4，從圖4可以看出建

表5 不同建模軟件三維建模效果和耗時

圖4 建模效果得分和建模耗時統(tǒng)計圖

模效果的好壞與建模耗時無直接關(guān)系。在選擇三維建模軟件時，可以選擇建模效果滿足要求，同時建模消耗時間盡量短的建模軟件，對于本實驗項目而言大疆智圖和ContextCapture建模效果均可以滿足要求且建模耗時小于另兩款軟件。

4 結(jié)論

無人機傾斜攝影三維建模軟件的選擇是一個較為復(fù)雜的問題，除了比較不同建模軟件的建模效果、內(nèi)業(yè)處理速度外，還要綜合考慮經(jīng)濟適用性、操作系統(tǒng)是否支持等諸多因素。文章從三維建模耗時和建模效果方面進行了分析，根據(jù)分析得出大疆智圖和ContextCapture三維建模效果可滿足實驗需求，且這兩款軟件三維建模耗時也少于其他兩款軟件。如果航拍影像照片數(shù)量較大或項目對三維建模耗時敏感時，因大疆智圖建模消耗時間遠(yuǎn)低于另外三款軟件，其建模所耗時間相對于表現(xiàn)不錯的ContextCapture來說，也只有ContextCapture建模所耗時間的25.3%，因而可以優(yōu)先考慮選擇其作為無人機傾斜攝影三維建模軟件。