无人机倾斜摄影在校园三维建模中的应用

胡泊;卢伟强

【摘 要】以黄河水利职业技术学院实景三维模型构建为例,阐述了利用无人机倾斜摄影技术进行三维模型数据生产的原理与技术流程.采用多选翼无人机平台搭载5镜头倾斜摄影模块采集航摄数据,运用Context Capture软件处理数据,生成粗模,之后导入DP-Modeler软件进行模型精细制作,构建1 km2校园三维实景模型. 【期刊名称】《开封大学学报》 【年(卷),期】2018(032)002 【总页数】5页(P92-96)

【关键词】无人机;倾斜摄影;三维建模 【作 者】胡泊;卢伟强

【作者单位】黄河水利职业技术学院测绘工程学院,河南开封475003;开封市国土资源局,河南开封475000 【正文语种】中 文 【中图分类】P231 0 引言

近年来，无人机倾斜摄影测量技术作为国内外测量领域中的新技术，已成为众多学者研究的热点.它突破了传统的垂直拍摄获取正射影像的制约，可以从多个角度倾斜摄影，传感器可高效、快速、大视场采集同一地物丰富的表面信息，这些特点逐

渐被人熟知，这一技术在大比例尺地形图测绘、三维建模等多个领域也得到广泛应用［1-3］.在快速制作三维模型方面，目前仍以传统的大面积三维场景构建为主流，用二维信息重建三维立方体，其纹理依靠如3DMAX等软件进行人工粘贴制作而成，纹理失真，模型精度低，无法真正实现精细化制作和单体化管理，且工作量大，时间成本高.倾斜摄影建模则是生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型，具有真实丰富的细部纹理，建立的模型也更加真实，是未来三维城市建模的发展方向［4-7］.我们基于HARWAR低空多选翼无人机平台，搭载倾斜摄影模块，快速获取大范围、高分辨率的多视影像数据，利用Context Capture（原Smart3D）软件，快速获得测区三维场景，通过DP-Modeler软件，进行单体化精细建模，实现了大范围三维精细模型的快速重建. 1 倾斜摄影数据采集

无人机倾斜摄影测量技术能以快速、大范围、高分辨率的方式，全面感知采集复杂场景的地物信息，由高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果，直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和几何精度提供保证［3］.同时，有效提升了模型的生产效率，大大降低了三维模型数据采集成本.我们承担了黄河水利职业技术学院校园的航飞任务.被摄区域面积约1km2，考虑校园测区特点，采用哈瓦MEGA-V8Ⅱ1050低空无人机平台搭载YT-5POPCⅢ倾斜摄影模块的方式，获取测区的最新基础影像数据，同时利用RTK进行野外像控点布设和采集，获取高精度像控点坐标.倾斜摄影平台及相机参数如表1所示. 2 无人机倾斜摄影三维建模流程

整个过程大体可分为外业采集和内业处理两个部分.内业处理部分，先利用Context Capture自动三维重建功能获取OSG粗模型，后利用DP-Modeler软件，通过单体化建模、一键贴图映射纹理，与场景融合，构建实景三维精细化模型. 表1 倾斜摄影平台及相机参数表倾斜摄影模块参数飞行半径 ≤14.4km 图像分辨率

5472*哈瓦MEGA-V8Ⅱ倾斜航摄平台参数 哈瓦YT-5POPCⅢ3648飞行速度 ≤18m/s 传感器尺寸 35.9mm*24mm续航时间 ≤60min 默认焦距 35mm机身尺寸 826*1050*578mm IOS感光度范围 IOS100-25600飞行高度 ≤4384m 存储量 640G定位精度 ≤0.02m 防护等级 IP-45抗风能力 7级 总有效像素 ＞1亿 2.1 技术流程

本文研究的建模方法的技术流程如图1所示： 图1 倾斜摄影实景三维建模技术流程 2.2 数据预处理

对外业采集获取的航摄数据成果进行整体检查，要求航摄影像质量、数量及文件格式正确无误，航高及影像重叠度符合建模所需精度要求，POS数据与影像成果一一对应，无冗余、缺失，相机参数正确完整，像控点分布均匀，数据准确.为了保证调色后影像效果满足生产要求，对原始影像进行匀光匀色.处理后的数据保证整个测区整体色调的一致性，且单张航片不偏色. 2.3 基于Context Capture软件自动重建测区三维场景

该方法集成航摄正射数据和倾斜数据，进行空三平差，构建三维场景，可弥补单一视角数据遮挡、纹理不丰富、多余观测不足等缺陷.实景三维建模的关键技术有数据预处理、倾斜影像区域网联合平差、点云密集匹配、不规则三角网构建、纹理映射及三维建模等.其中，关键点是倾斜影像联合平差、纹理映射和实景三维模型自动构建.其步骤为：

①根据采集的高分辨率多角度航摄影像及像控数据，利用Context Capture软件，结合共线条件方程理论，采用多视角区域网法解析空中三角测量进行加密，从而计算出待求点的物方空间坐标并恢复影像的方位元素，空三加密解算即是对航片间空间拓扑关系重建的过程.

②利用多视影像密集匹配技术获取影像的同名点坐标，进而获取对应地物的三维高

密度点云数据；对其处理后，构建不规则三角网（TIN），如图2所示；并根据TIN网中每个三角面片的空间位置，获取与模型相对应的最佳视角影像纹理，进行模型自动纹理映射，构建完整的三维模型，如图3所示.其中，倾斜影像贴图成果要求保证贴图的原始分辨率及色调，且纹理不能出现拉伸、扭曲等现象，与模型结构匹配正确、合理. 图2 构建TIN

图3 对TIN进行纹理映射

利用Context Capture虽可快速自动重建三维场景，但其生成的模型数据并不完善：一是生成的三维场景是整体性的，不能分割模型进行单体化操作，无法进行单体化管理，如对建筑赋属性、入库等，导致后期应用和管理中的局限较多；二是三维模型涉及海量数据，这给三维场景的加载和预览带来诸多不便；三是三维模型精度不高，部分模型表面会有虚化模糊甚至“漏洞”现象，对一些水体、大片树丛草坪等的表面纹理，不便于处理，有些模型的边缘有可能出现较大的拉花问题. 2.4 基于DP-Modeler软件生成精细三维模型

实际上，校园中的建筑物基本上可以划分为：以单个教学楼、宿舍楼、餐厅等为主的简单结构建筑，以及以教学区、宿舍区为主的，由多个简单结构建筑组成的复杂结构建筑群.针对结构较复杂的建筑物的顶部，可以添加屋角点或在已有面的基础上切割面，再进行点或面的拉升或挤出.具体模型要求参照三维建模技术标准，单体化前后如图4所示. 图4 单体化建模

通过自动映射得到的模型贴图不免有些瑕疵，可直接调用Photoshop软件进行纹理修改，修改后保存的贴图直接就可以加载进入软件，无须查找贴图.

模型单体化之后，需实现单体建筑与整个场景的融合，其步骤大体包括区域踏平、立体删除和批量重建.选中需要踏平的建筑部分，在DP-Modeler中将其删除，对

删除后的地面进行缝补、贴图，把单体化的建筑与地面场景放在DP-Modeler内进行融合，如图5所示.在DP-Modeler Mesh场景中，用立体删除功能，选中大场景中悬浮的多余物体（如悬浮的树木、电线杆等），并将其放在DP-Modeler内进行删除［8］. 图5 单体与场景融合 3 案例应用

利用多选翼无人机进行低空倾斜摄影，规划3个架次10条航带，航摄采集黄河水利职业技术学院新校区约1km2范围的倾斜影像数据，基于倾斜摄影三维建模软件Context Capture和DP-Modeler，通过数据预处理、空三平差、场景重建、模型精修等，实现校区倾斜摄影三维实景模型的构建，如图6所示. 图6 校园三维实景模型 4 结语

我们利用无人机倾斜摄影测量技术，运用Context Capture、DP-Modeler等软件，并结合传统建模中手工制作的优点，对黄河水利职业技术学院约1km2的校区进行实景三维模型构建，总结出了一套较为系统的解决方案.其主要优点是：①相比于传统手工建模，自动化程度高，生产效率大大提升；②通过DP-Modeler中的一键贴图映射真实纹理，结合RGB渲染效果，使得建筑物模型视觉真实性大大提高，并能充分表现其细部特征，从而弥补了Context Capture自动三维重建中精度不足的缺陷；③以倾斜航摄获取的多视角、高分辨率、成像关系严密的影像数据为基础，能够实现模型与影像完全套合，使模型拥有精确的三维坐标数据，消除了单一数据源视角、分辨率、遮挡等方面的限制，同时，集成化的作业环境也大幅提升了建模速度、精度和效能. 参考文献：

【相关文献】

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