基于无人机倾斜摄影的智慧校园三维建模应用研究
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作者:王倩 刘攀
摘 要：随着无人机技术的飞速发展，无人机外业数据采集由传统的垂直方向获取正射影投影图发展到现在的倾斜摄影测量技术，可以实现多角度数据采集，极大提高三维建模的精度和效率。该文对倾斜摄影测量技术及实景三维模型进行研究，并将研究成果应用于智慧校园实景三维建模。通过无人机倾斜摄影技术获取校园遥感影像，选取Context Capture处理遥感影像进行三维建模。并以甘肃建筑职业技术学院为试验区，进行实景三维建模作为验证，取得良好的建模效果。
关键词：无人机;倾斜摄影测量;智慧校园;三维建模;Context Capture
中图分类号：P231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2022）30-0049-04
Absrtact： With the rapid development of UAV technology， the field data acquisition of UAV has developed from the traditional vertical acquisition of orthographic projection to the current oblique photogrammetric technology， which can achieve multi angle needle data acquisition， greatly improving the accuracy and efficiency of 3D modeling. In this paper， the technology of oblique photogrammetry and 3D model of real scene are studied， and the research results are applied to 3D modeling of smart campus. The remote sensing image of the campus is obtained through the tilt photography technology of UAV， and the remote sensing image is processed by Context Capture for 3D modeling. Taking Gansu Vocational and Technical College of Architecture as the experimental area， the real 3D modeling was carried out as a verification， and good modeling results were achieved.
Keywords： UAV; inclined photogrammetry; smart campus; 3D modeling; Context Capture
随着信息技术的不断发展，虚拟现实（VR）等技术的出现，以3S技术、三维激光扫描技术为代表的地理信息技术也迎来了巨大的发展机遇，全球进入了“大数据时代”[1]。基础地理信息数据的完善也给城市管理带来了巨大的变革，完成了“数字城市”向“智慧城市”的转变，给人们的日常生活带来了极大的便利。以无人机为代表的摄影测量成果也使得人们不再满足于使用二维平面数据，而是对空间地理数据可视化、完整性地表达提出了更高的要求。
传统的无人机航空摄影测量往往只能得到正摄投影图（DOM），再通过CAD、3Dmax人工建模，这种方式在工作周期、成本、空间表达上和可视化程度上都有诸多局限。利用倾斜摄影测量可以得到不同角度的空间地理信息数据并以DOM、DLG等多种格式输出，同时采集时间短、工作效率高。后期可采用精细化三维模型对真实三维空间实体场景位置进行可视化表达。精细化实景三维模型在真实表达出地理实体位置、性状和表面纹理等方面具有优势，采用无人机倾斜摄影测量数据采集，并使用实景三维模型后期处理的方式已经广泛应用于智慧城市、智慧园区[2]建设、地质灾害、旅游和安全管理等领域。实景三维建模将是摄影测量学发展的新趋势，其成果在智慧园区中进行应用也是领域当前研究的热门话题之一。
1 研究现状
关于建模方法方面，根据模型的精细化程度及原始数据来源的不同，三维模型构建方法大致可分为：基于二维矢量数据、基于激光雷达技术和基于倾斜摄影测量技术的三维模型构建。
（1）基于二维矢量数据方面，其方法基于二维地图进行拉伸[3]，效果失真且工作量大，和激光雷达与倾斜摄影相比不具备优势。
（2）基于激光雷达方面，已经形成很多成果，应用于三维景观[4]、公路勘测设计[5]和城市三维建模[6]中。表面缺乏纹理信息，立体感效果有局限。
（3）倾斜摄影测量技术方面，利用无人机倾斜角度获取具有重叠的影像数据，恢复影像的空间位置姿态，从而建立空间地理实体的三维模型。作业方式简单、效率高及适合大范围区域建模。精细化三维实景模型在城市建设中被广泛采用[7-10]。
2 倾斜摄影测量
摄影测量学是利用航摄仪拍摄的影像，通过像点与地面点之间的关系确定地位的三维坐标。通过影像的几何信息进行模型重建，从而确定相应地位点的位置，如图1所示。
无人机倾斜摄影测量技术近年来发展迅速。其原理如图2所示，其通过在同一飞行平台上搭载多视角航z仪，目前最常用的是五镜头摄像机，可以同时从1个垂直、4个倾斜共5个不同视角来同步采集影像[11]，采集同时可以记录航高、坐标参数，可以获取不同角度的建筑物纹理。对比传统的正射投影图只能获取1个方向的平面数据，多角度的拍摄更具有立体感，为之后的三维实景建模提供了丰富的数据。
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3 数据获取
无人机倾斜摄影测量原理如图3所示，无人机倾斜摄影测量的技术流程如图4所示，包括测区勘察、无人机及相机选取、像控点布设、像控点测量、航测任务设计和倾斜影像数据获取等步骤。
3.1 测区概况
以甘肃建筑职业技术学院兰州校园内部为实测建模区。学院位于兰州市七里河区晏家坪街道。学院占地面积312亩（1亩约等于667 m2），建筑面积18.2万m2。测区地物主要包括道路、教学楼、宿舍楼和体育馆等建筑物，以及操场等，地势相对平坦，飞行难度低。
3.2 无人机及相机参数
使用大疆精灵4为飞行设备如图5所示，飞行参数见表1，相机参数见表2。
3.3 航线任务书设计
（1）首先应明确任务需求，包括数据成果精度、参数等要求，并向当地空域管理部门完成空域申请。
（2）通过地形图及现场踏勘，获取测区基本数据，包括面积、海拔和高差。根据这些数据进行无人机及相机选取、像控点布设和航线设计。
（3）像控点的布设一般采用均匀布设的方式，布设距离与摄影基线长度及个数有关，具体关系见表3。
可知相机像元尺寸为 0.012 mm，比例尺为1∶500，相机焦距设置为35 mm，计算航行高度，根地面分辨率GSD公式可得
（1）
式中：f为相机焦距;GSD为影像地面采样距离，即每毫米所能辨别的黑白相隔的线对数，线对/mm;a为像元大小。
则飞行高度为H=175 m。试验区内建筑分布密集度不高，根据《低空数字航空摄影规范》规定和大疆精灵4航摄设备精度要求，航向重叠度设置为60%，旁向重叠度设置为50%。
4 三维建模
无人机倾斜影像获取技术流程如图6所示。
无人机倾斜摄影三维建模数据处理过程就是首先将外业所得数据进行整理，通过筛选不合格数据，以及对图片匀色光预处理，将下一步处理的图片筛选出来。按照设计航线获取的具有一定航向和旁向重叠度的影像数据，恢复影像间的立体关系以构建实景三维模型。包括畸变校正等预处理、多视影像密集匹配、联合平差及纹理映射等。
采用软件Context Capture 处理外业倾斜摄影获取的数据影像，导入遥感影像，进行三维模型重建。后期可以使用Dp Modeler进行三维模型优化，表面纹理、填补凹陷和角度扭转。完成后试验区实景三维建模效果如图7所示。效果逼真，达到智慧校园建设标准。
5 结束语
使用无人机倾斜摄影测量技术进行外业数据采集，通过Context Capture进行三维实景建模，其成果已经广泛应用于智慧城市、智慧园区等建设中，三维实景精细化建模成果以其可媲美真实的模型造型，将成为未来摄影测量与遥感的热点。
参考文献：
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[9] 于丽丽.基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维实景建模研究[J].测绘与空间地理信息，2021，44（5）：86-88.
[10] 苏晓刚.无人机倾斜摄影测量的不动产三维单体化建模及应用研究[D].淮南：安徽理工大学，2020.
[11] 倪炜.无人机倾斜摄影测量技术在规划竣工测量中的应用[J].住宅与房地产，2019（28）：172.
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