基于倾斜摄影技术的城市实景三维建模研究

时间：2024-05-22

朱勇程海翔

（1.扬州市职业大学，江苏扬州 225009；2.扬州市政府信息资源管理中心，江苏扬州 225002）

0.引言

随着现代科技的快速发展，无人机倾斜摄影技术作为测绘地理信息领域的一项新的重要技术得以快速发展，在地形测绘、工程测量、电力巡检、工程勘察、交通规划、应急测绘等方面发挥了广泛应用，让数字信息赋能更多行业领域，同时也为城市实景三维建模提供了新的技术条件，为智慧城市建设提供了技术支持。

倾斜摄影是近十年来国际摄影测量领域发展起来的一项高新技术。这项技术通过同步采集不同视角的数据图像，可以获得丰富的建筑物顶视图和侧视图的高分辨率影像，从而获得准确的纹理数据，并且可以通过定位、融合、建模等专业技术生成实景三维模型。与正射影像相比，倾斜摄影可以让使用者从多个不同的角度观察地物，更加真实地反映了地物当时的景象，这也很大程度地弥补了正射影像的不足之处。当前大多数倾斜摄影通过在无人机上搭载一个五镜头相机，分别从下、前、后、左、右等五个不同视角采集数据影像，在同一个曝光时刻得到五张照片。由于采用五镜头相机拍照，相片数量较多，因此模型构建过程对电脑配置要求较高，且所需时间较长。本文基于大疆经纬M300搭载大疆禅思P1（Zenmuse P1）全画幅智能摆动云台拍摄相机进行倾斜摄影采集数据，并结合大疆智图软件（Terra），以扬州市梅岭中学为例，叙述实景三维模型构建的基本过程。

1.无人机倾斜摄影三维建模

1.1 倾斜摄影三维建模基本原理

倾斜摄影是将计算机视觉处理中的多视点三维重建理论与摄影测量相结合的一种新的摄影测量技术，其特点是在完成数据采集后，采用数据处理技术来实现后期的三维真实场景建模。无人机倾斜摄影技术是指将自动控制的无人机与倾斜摄影云台相机相结合，应用无人机快速、灵活的优点，提高了倾斜摄影数据采集过程中数据采集的智能化程度，可以更有效地采集地面数据。在数据采集过程中，从不同的角度拍摄图像，突破了正射影像只能从垂直角度拍摄的限制，扩大了拍摄范围，实现了地面多角度数据的采集。然后，通过计算机三维建模技术，快速构建具有精确地理位置信息的三维空间模型，能够准确重建目标区域内地形和建筑物的详细特征，提高建模的效率和质量，实际模型的精度可以达到毫米级。无人机倾斜摄影技术采集的数据包括POS数据和高清照片数据，POS数据主要是采集无人机运行过程中的经纬度、高度、飞行方向、飞行姿态等信息，由飞行控制系统在相机拍照时产生，并与照片一一对应。

无人机倾斜摄影三维建模是一种基于图像的建模，基于图像建模的主要目的是从二维图像中恢复场景的三维几何结构。由于图像本身包含丰富的场景信息，所以很容易从图像中得到一个像照片一样的真实场景的三维模型，构建过程如图1所示。

图1 三维模型构建过程

以上过程可以概述为：由倾斜摄影得到的影像生成三维点云数据，根据点云数据进行三角网构建，生成一个“白模”，再对“白模”进行纹理映射，进而生成所需的三维模型。与传统的利用建模软件或三维扫描仪获取立体模型的方法相比，基于图像的建模方法具有使用成本低、真实感更强、自动化程度高等优点，具有广阔的应用前景。

1.2 倾斜摄影云台相机

目前大多数的倾斜摄影采用五镜头相机拍照，在同一时刻分别从下、前、后、左、右五个不同方向采集影像数据，相片数量是同等条件下正射影像照片数量的五倍，因此建模过程对电脑配置要求较高，且所需时间较长。面对城市实景三维这样大规模的航空摄影测量需求，无人机倾斜摄影产业亟需一款高精度、高效率、高可靠性、低使用门槛的一体化解决方案。而这其中，如何大幅提升单张照片的有效拍摄面积，成为实现突破的关键。本文基于大疆禅思P1（Zenmuse P1）全画幅智能摆动云台拍摄相机进行倾斜摄影数据采集。

禅思P1是一款高性能、多用途航空摄影测量相机，搭载4 500万像素全画幅图像传感器，集成全画幅图像传感器与三轴云台可实现智能摆动拍摄，满足多角度倾斜摄影需求，可以拍摄8 192×5 460分辨率的照片。配合大疆经纬M300无人机，在高速飞行中实现智能摆动拍摄，满足多角度倾斜摄影需求，使影像采集效率倍增，从而快速获取高精度的三维模型。P1搭配大疆经纬M300无人机，只需4架次140分钟，即可完成10平方千米的正射影像数据采集。不仅如此，禅思P1通过相机、云台、飞控和RTK之间的微秒级时间同步，实现厘米级的精准数据获取。且得益于机械全局快门，可以有效减少果冻效应，也能满足比例尺1∶500地形图免像控的精度要求。

由P1镜头获取的影像数据，通过采用大疆智图软件（Terra）构建三维模型，可以大幅提高精度和效率，高效精简地提供多角度倾斜摄影数据，满足三维建模影像数据需求，为实景三维与智慧城市建设助力。

1.3 倾斜摄影三维建模软件

倾斜摄影三维建模是基于图像的建模，由于图像本身包含丰富的场景信息，所以很容易从图像中得到一个像照片一样的真实场景的三维模型。目前常用的三维建模软件主要有Smart3D、Pix4D、Skyline PhotoMesh、PhotoScan等。。

Smart3D是目前市面上用得比较多的一款三维建模软件，能够处理手机、单反相机、激光雷达等多种数据源的数据。这款软件的建模优势主要是：快速、简单、全自动，前期输入需要处理的照片，设置好参数后便可完成空三加密、三维建模重建DOM、DSM生成等工作；三维模型效果逼真；支持多种三维数据格式，处理的模型效果在当前所有三维软件中也是名列前茅。PhotoScan是一款全自动生产三维模型的建模软件。这款软件操作简单，无特殊和难理解的参数需要设置，但是对于数据处理的容错率较低，易报错，三维效果还有待提高。Pix4D是一款专门用作测绘的软件，从数据采集（pix4Dcapture）到DOM、DSM及三维模型生产都有涉及，在DOM正射影像生成方面很有特点，但是三维效果相对于Samrt3D来说还是有些差距。本文由于采用大疆经纬M300无人机搭载禅思P1进行数据采集，因此采用大疆智图软件(Terra)进行三维建模。

大疆智图是一款提供自主航线规划、飞行航拍、二维正射影像与三维模型重建的PC应用软件，其三维构建是基于大疆点云重建算法，将无人机采集的数据可视化，先实时生成三维点云，然后经过后处理生成三维模型。相比其他几种软件，大疆智图的优点是操作简单，处理速度快且效果好。其处理速度是其他主流软件效率的3-5倍以上，单机效率堪比CC集群。

2.工程案例

为满足智慧城市地理信息平台建设的需要，需要对扬州市梅岭中学进行倾斜摄影三维模型构建。该区域南北长约300米，东西长约120米，测区地势平坦，建筑物密集，要求地面影像分辨率达到5厘米，三维模型平面位置和高程要求满足成图比例尺1∶500精度要求。

2.1 外业数据采集

本次项目采用大疆经纬M300搭载Zenmuse P1（50毫米）镜头，对测区进行倾斜摄影数据采集。根据精度要求，设定飞行高度150米，航向重叠率80%，旁向重叠率75%，航线自动生成，并根据测区实际情况调整航线角度，外扩边距可自动生成。选择天气情况良好条件下进行外业拍摄。本测区面积较小，一个架次完成照片采集，共计照片734张。

2.2 像控点布设

为保证模型精度，测区内共布设4个控制点（点号xk6、xk7、xk8、xk9）和1个检查点，5个控制点均匀分布在测区范围内，且控制点上方没有大的遮挡物，控制点和检查点平面坐标和高程均采用JSCORS进行测量，平面坐标采用国家2000坐标系，高程采用85高程系统。

2.3 三维模型构建

采用大疆智图软件进行三维模型构建，导入外业拍摄的照片，输出坐标系设置选择输出坐标系CGCS 2000，中央子午线选择3度带分带120度。

2.3.1 空中三角测量

空中三角测量是以视觉的重投影残差最小化为目标，在一定的先验条件下求解相机成像时的位置和姿态，其计算过程首先寻求同名像点，包括特征点提取和匹配，然后进行区域网平差解算出相机位置和姿态。在进行三维模型构建时，可在添加照片后导入像控点，利用像控点提高空三的精度和检查空三的精度，将空三结果转换到指定的像控点坐标系下，从而提高模型构建的准确度。%%

2.3.2 三维模型构建

空三解算完成后即可进行三维模型构建，如前所述，三维模型建立的基本过程是由影像生成点云数据，再根据点云数据生成一个“白模”，然后对“白模”进行纹理映射，最后生成三维模型，如图2所示。

三维模型常用数据格式主要是S3C、OBJ以及OSGB，其中S3C是Smart3D内部格式；OBJ文件是Alias Wavefront公司为一套基于工作站的3D建模和动画软件开发的一种标准3D模型文件格式，很适合用于3D软件模型之间的互导，在修模时常用这种格式；OSGB是Open Scene Gragh Binary的简写，也是目前市面上常见的倾斜摄影三维模型数据格式。由Smart3D处理的倾斜摄影三维模型数据的组织方式一般是采用二进制存储的、带有嵌入式链接纹理数据（.jpg）的OSGB格式。大疆智图软件三维建模支持OBJ和OSGB格式。但这里需要指出的是通过大疆智图三维建模生成的OSGB文件结构与Smart3D（ContextCapture）生产的OSGB格式有区别。本项目生成模型选择OSGB格式，最终成果如图3所示。

图3 三维实景成果