基于消費(fèi)級無人機(jī)的小范圍三維實景建模探討

黃有槽

摘要：目前，消費(fèi)級無人機(jī)基本已經(jīng)普及，除普通拍攝之外，還可以利用其影像采集功能，結(jié)合專業(yè)軟件建立三維實景模型。本文探討了使用的關(guān)鍵技術(shù)和合適參數(shù)，并進(jìn)行了實際案例的驗證，為以后類似的工程項目提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：消費(fèi)級無人機(jī)；傾斜攝影測量；三維實景模型

1 概述

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域于2012年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界[1]。傾斜影像技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用，使目前高昂的三維建模成本大大降低?？s短了三維數(shù)據(jù)的制作周期，大幅提供了工作效率。

目前世界上支持多視角影像三維實景建模的軟件有許多，諸如Context Capture、Pixel Factory、Pix4D、VirtuosoGrid、VirtuoZo、DP-Smart、PhotoScan等軟件，其高度自動化和智能化給建模帶來極高的效率。在硬件方面也得到了國內(nèi)外許多傾斜無人機(jī)的支撐，比如Harwar、MicroDrones、JOUAV、Dragon50等。軟件和硬件的支持給三維實景建模帶來改革性的變化，推動著三維實景建模飛速發(fā)展。

一般專業(yè)的搭載五鏡頭的量測無人機(jī)適用于大范圍的三維實景建模，但遇到小面積的或者是局部的地物要建模的情況，使用專業(yè)無人機(jī)不但體現(xiàn)不了高效率，成本反而高。因此本文提出一種利用消費(fèi)級無人機(jī)，如大疆精靈Pro，利用專業(yè)軟件進(jìn)行三維重建的方案，可以靈活、高效、低成本的完成小范圍地物的三維重建。

2 關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)設(shè)置

傳統(tǒng)的消費(fèi)級無人機(jī)只能搭載一顆鏡頭進(jìn)行正射影像，從垂直角度拍攝。而專業(yè)的傾斜攝影無人機(jī)搭載多臺傳感器，可以同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像。這就要求使用者對消費(fèi)級無人機(jī)的飛行路線和傾斜角度進(jìn)行合理設(shè)置，通過多次多角度飛行，來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，對飛手的操控技術(shù)和采集技術(shù)要求比較高。

2.1無人機(jī)拍攝時應(yīng)該遵循以下原則：

①無人機(jī)的圖像格式有JPEG、TIF、RW2、3FR、DNG、NEF、CRW、CR2。

②在整個飛行過程中使用相同的焦距，要有恒定的照明，有限的陰影數(shù)據(jù)。

③避免模糊照片、閃光燈和光學(xué)防抖。

④不能使用數(shù)碼變焦和照片手動潤色。

對于簡單對象的采集，有如下關(guān)注事項：

①不要反轉(zhuǎn)或移動對象。

②縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。

③兩張連續(xù)照片之間的拍攝夾角不超過15度。

④與對象保持相同的距離。

2.2無人機(jī)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)擬三維實景建模對象的特點(diǎn)，無人機(jī)需要進(jìn)行如下設(shè)置：

①精度估算

三維模型精度P=2×R（m），P=三維模型相對精度，R=對象表明呈現(xiàn)的像素大小。

②飛行路線規(guī)劃

D=P/2×f×L/Ls，Ls=傳感器長度（m），D=數(shù)碼相機(jī)和對象之間的距離（m），f=數(shù)碼相機(jī)的焦距（m），L=圖像長度（Px），M=地面覆蓋區(qū)域大?。╩）

3 三維實景建模實例

本文的實際案例利用消費(fèi)級無人機(jī)大疆精靈Pro，三維實景建模對象為深圳市龍崗區(qū)天安數(shù)碼新城，區(qū)域面積4.8平方公里，主要建構(gòu)筑物為高層建筑，最高樓110米。

外業(yè)通過大疆自帶的飛控軟件，選擇傾斜攝影模式，設(shè)置無人機(jī)參數(shù)如下：影像傳感器1/2.3英寸，CMOS有效像素1240萬，鏡頭FOV94°20mm（35mm格式等效），f/2.8，焦點(diǎn)無窮遠(yuǎn)，ISO范圍100～1600，電子快門速度/s8～1/8000，照片尺寸/像素4000×3000，飛行高度120，縱向重疊度80%，橫向重疊度60%。因無人機(jī)電池容量限制，累積飛行了3次，耗時約3個小時，共拍攝照片494張。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用專用三維建模軟件完成，按照“空三計算、聯(lián)合約束平差、瓦片分割、三維重建、成果輸出”作業(yè)流程完成模型的建立，自動生成的三維模型，如下圖所示。

經(jīng)檢測，基本實現(xiàn)了三維實景效果，可以測量高度、長度、面積和體積等。

4 結(jié)語

本文探討了借助最先進(jìn)的三維實景建模軟件，利用普通消費(fèi)級無人機(jī)，通過正確的關(guān)鍵技術(shù)和合適參數(shù)，進(jìn)行了實際案例的驗證，為以后類似的項目提供借鑒和參考。由于消費(fèi)級無人機(jī)本人續(xù)航和拍攝設(shè)備的局限，其建模精度、測繪范圍和續(xù)航能力較專業(yè)設(shè)備差距較大，只能適合小項目、工程局部地物進(jìn)行三維實景建模，因此，借鑒使用前需對項目有一定的了解和定位。同時，必須使用同一款無人機(jī)和相同的參數(shù)采集的素材才能成功建模。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣. Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在三維城市建模中的應(yīng)用[J].測繪與空間信息，2011（3）：12-14

[2] 周杰.基于傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建實景三維模型的方法研究[J]. 價值工程，2016，35（25）：232-235.