常一萍 邱福濤 王洪 藍(lán)朝陽(yáng)

摘要 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域近十年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)面的高分辨率紋理。針對(duì)龍巖學(xué)院研究生公寓樓為代表的復(fù)雜高層不規(guī)則建筑物問(wèn)題，運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)獲取，并使用大疆Phantom4 RTK進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集，通過(guò)DJI-Terra軟件處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測(cè)量并生成三維模型，最后利用Dp-Modeler軟件進(jìn)行單體化模型精修。

關(guān)鍵詞 DJI-Terra；傾斜攝影測(cè)量；Dp-Modeler

中圖分類(lèi)號(hào) TU198文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0016-03

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成為測(cè)繪領(lǐng)域新的趨勢(shì)和潮流[1]。無(wú)人機(jī)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)角度進(jìn)行傾斜攝影，并利用專(zhuān)業(yè)的建模軟件建立三維實(shí)景模型，從而獲取地物、地貌等特征屬性，還可以將獲取的信息以圖片或影像等形式展現(xiàn)出來(lái)，便于后期對(duì)這些資料進(jìn)行研究分析，通過(guò)可視化三維處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化數(shù)字處理，創(chuàng)建以三維實(shí)景模型為基礎(chǔ)的智慧城市建設(shè)。

1 研究方法

針對(duì)高層建筑飛行補(bǔ)拍，對(duì)中間與后側(cè)復(fù)雜部分進(jìn)行補(bǔ)拍，如圖1所示。由于建筑物為復(fù)雜的高層建筑，因此，在外業(yè)飛行中采用了井字飛行和五向飛行兩種方式，后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用了Context Capture與大疆智圖兩種軟件來(lái)處理。利用兩種軟件處理五向與井字飛行，得出的結(jié)果是大疆智圖中五向飛行更適合后期的單體化模型精修，并采用Dp-Modeler模型精修軟件對(duì)龍巖學(xué)院研究生公寓樓復(fù)雜高層的單體化模型重建。

2 外業(yè)測(cè)量

2.1 航測(cè)范圍規(guī)劃

使用大疆Phantom 4 RTK固定翼無(wú)人機(jī)地面站，對(duì)龍巖學(xué)院研究生公寓樓進(jìn)行航測(cè)范圍規(guī)劃，新建工程選擇3D飛行，飛行高度70 m，返航高度100 m，航向重疊率70%，旁向重疊率60%，速度每秒9 m，對(duì)該范圍內(nèi)進(jìn)行了多視影像數(shù)據(jù)采集，總采集照片410張[2]。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)工作流程

根據(jù)指定航線及參數(shù)設(shè)置，無(wú)人機(jī)手動(dòng)運(yùn)行補(bǔ)拍，在航測(cè)過(guò)程中需要關(guān)注航測(cè)圖像及POS數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)云臺(tái)角度產(chǎn)生的圖像，可提供航測(cè)數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)信息有高度、航向、經(jīng)緯度等。補(bǔ)拍圖像及POS數(shù)據(jù)將在公寓樓中部及后部左右補(bǔ)拍航測(cè)工作結(jié)束后獲得。

2.3 增設(shè)像控點(diǎn)

該測(cè)區(qū)使用CGCS2000坐標(biāo)系、1985高程系統(tǒng)、高斯3度帶投影和中央子午線117度，飛行前在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)找到相應(yīng)特征物的標(biāo)志以便于攝像控點(diǎn)。使用司南RTK均勻地在測(cè)區(qū)范圍四角布設(shè)10個(gè)像控點(diǎn)，為防止遺忘布設(shè)像控點(diǎn)的位置，在布設(shè)像控點(diǎn)的時(shí)候進(jìn)行拍照留存。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 航測(cè)數(shù)據(jù)處理方案

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的處理主要是利用外業(yè)收集到的數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)成內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理圖像，而內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件非常多，該次航測(cè)后期分別采用的軟件是Context Capture與大疆智圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 Context Capture建模實(shí)驗(yàn)

通過(guò)采集的照片計(jì)算出拍攝位置，空三計(jì)算是通過(guò)Master來(lái)完成。Engine是進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化計(jì)算而形成三維模型，Master是前端操作界面[3]，可通過(guò)Master導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行空三計(jì)算。

3.3 大疆智圖建模實(shí)驗(yàn)

新建項(xiàng)目導(dǎo)入外業(yè)采集的自帶POS信息的所有照片（航線規(guī)劃及補(bǔ)拍影像共410），選擇輔助坐標(biāo)系為CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 117E（EPSG4548）。

3.3.1 空間三角測(cè)量計(jì)算

使用大疆Phantom4 RTK 無(wú)人機(jī)平臺(tái)為基礎(chǔ)采集航測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模技術(shù)構(gòu)建了該飛行器飛行姿態(tài)與相機(jī)成像參數(shù)之間的映射關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的幾何模型，通過(guò)大疆智圖中空三計(jì)算步驟完成了該模型空三計(jì)算。

3.3.2 像控點(diǎn)管理與刺點(diǎn)

結(jié)束第一遍空三計(jì)算后，進(jìn)入像控點(diǎn)選擇坐標(biāo)系統(tǒng)CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM117 E（EPSG4548），導(dǎo)入外業(yè)采集的像控點(diǎn)坐標(biāo)（共計(jì)10個(gè)），將進(jìn)行手動(dòng)刺點(diǎn)。刺點(diǎn)過(guò)程視圖中會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色準(zhǔn)星代表像控點(diǎn)預(yù)測(cè)位置。進(jìn)行放大準(zhǔn)星，則選擇實(shí)際像控點(diǎn)位置進(jìn)行刺點(diǎn)。在進(jìn)行每張相片刺點(diǎn)時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)地更新像控點(diǎn)位置。為確保精度，每個(gè)像控點(diǎn)刺出6張圖片，最終選擇精度最準(zhǔn)確的5個(gè)點(diǎn)作為空三優(yōu)化像控點(diǎn)。

3.3.3 重建結(jié)果展示

導(dǎo)入航測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)空三進(jìn)行計(jì)算與優(yōu)化，并選用空三XML文件，在像控點(diǎn)刺點(diǎn)后，選用高分辨率模型標(biāo)準(zhǔn)及OSGB、OBJ模型格式對(duì)三維重建模型進(jìn)行建模[4]。

3.3.4 兩套方案效果對(duì)比

通過(guò)Context Capture軟件構(gòu)建出的三維模型，無(wú)法識(shí)別補(bǔ)拍的照片且存在細(xì)小問(wèn)題，故最終采用DJI Terra五向飛行模型進(jìn)行Dp-Modeler模型精修。

4 基于Dp-Modeler的三維建模流程

隨著實(shí)景三維模型的廣泛運(yùn)用，模型場(chǎng)景修飾功能也將在眾多行業(yè)發(fā)揮重要的作用。具體精細(xì)化建模流程如圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1.1 工程建設(shè)流程

Dp-Modeler數(shù)據(jù)處理流程，打開(kāi)DPSlnManager程序，設(shè)置解決方案路徑，然后影像→航空影像→導(dǎo)入影像打開(kāi)大疆智圖空三XML文件，映射紋理路徑→無(wú)畸變影像存儲(chǔ)路徑，導(dǎo)入到Dp-Modeler工程，點(diǎn)擊Mesh→因?yàn)槭褂么蠼菆D需要選擇大疆?dāng)?shù)據(jù)打勾再進(jìn)行下一步驟，導(dǎo)入OSGB與OBJ模型格式，設(shè)置偏移值選擇OSGB與OBJ文件中的XML文件，再導(dǎo)入OSGB與OBJ中的block文件，因大疆智圖與Context Capture中導(dǎo)出的文件格式不一樣，需要留意最后生成影像緩存。

4.1.2 Dp-Modeler進(jìn)行建模

開(kāi)啟項(xiàng)目雙擊解決方案，界面上就會(huì)出現(xiàn)解決方案管理器、相機(jī)視圖、工具箱，以及一些常用工具欄，例如影像投影視圖、三維自由視圖、Mesh編輯視圖等。

相機(jī)視圖：是指當(dāng)測(cè)量點(diǎn)定位或建筑定位時(shí)，可以計(jì)算所有能看到測(cè)量點(diǎn)或建筑的攝像機(jī)，并將攝像機(jī)俯仰位置平放在相機(jī)視圖上，可分為正攝影像（判斷平面位置X、Y）和傾斜影像（判斷高程位置Z）。紫色點(diǎn)表示全景圖圖像，三角形表示地面近景圖像。在相機(jī)視圖上單擊任意點(diǎn)，圖像投影視圖自動(dòng)出現(xiàn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圖像，點(diǎn)變?yōu)殚冱S色，并在該點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)矩形方框顯示橘黃色投影線框，紅色三角形是聯(lián)動(dòng)三維自由視圖，指當(dāng)前以基準(zhǔn)點(diǎn)為中心觀測(cè)模型方向，用于手動(dòng)選取適合的影像輔助修改貼圖。當(dāng)三維自由視圖為頂視圖時(shí)，三角形會(huì)切換成圓形。黃色小點(diǎn)代表基準(zhǔn)點(diǎn)位置，影像顯示用于篩選影像類(lèi)別，可全部顯示，亦可單獨(dú)顯示航空影像、全景影像、地面近景影像等。

Mesh視圖：Mesh視圖中加載OBJ格式Mesh模型，主要用于模型修飾，其中包含重置視角、燈光開(kāi)啟關(guān)閉、撤銷(xiāo)與重做等，以及單體化模型加載與卸載背面裁剪。開(kāi)啟此功能時(shí)，僅當(dāng)觀測(cè)Mesh正面時(shí)才加載模型，當(dāng)視角觀察Mesh模型以下時(shí)，Mesh模型不加載。完成白膜構(gòu)建時(shí)，可打開(kāi)Mesh，觀察整個(gè)模型的整體輪廓以及部分細(xì)節(jié)模型結(jié)構(gòu)。

4.2 單體化制作

該文研究的是龍巖學(xué)院研究生公寓樓的三維模型，首先采用的是大疆智圖（DJI Terra）對(duì)外業(yè)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出整個(gè)公寓樓的三維模型。最后成圖發(fā)現(xiàn)，大疆智圖制作的三維模型存在破損和拉花的情況。為了對(duì)該公寓樓做一個(gè)完整的可視化三維模型，將對(duì)此三維模型進(jìn)行一個(gè)精細(xì)化的模型重建精修。該文采用的是Dp-Modeler制圖軟件制作該學(xué)生公寓的可視化實(shí)景三維模型。

4.3 細(xì)部結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建

4.3.1 內(nèi)部樓梯制作

由于該樓梯的制作需要較高要求，首先，確定樓梯的位置以及高度，其位置與高度要貼合實(shí)際的建筑圖，需在自由視圖中根據(jù)白膜以及原有的三維模型聯(lián)合確定位置高度信息[5]，并通過(guò)矩形工具將樓梯的寬度繪出。其次，擠出柱體到相應(yīng)高度，再使用等分四邊形對(duì)樓梯頂部與側(cè)面進(jìn)行等分面，然后對(duì)應(yīng)面之間擠出柱體。最后，完成樓梯的制作。再根據(jù)樓梯的位置，對(duì)外圍的欄桿進(jìn)行擠出柱體，完成樓梯與欄桿的鏤空制作。

4.3.2 屋頂鏤空

在進(jìn)行屋頂鏤空制作時(shí)因?yàn)闃琼斏线€有半層屋面，所以先擠出半層屋面，再進(jìn)行屋頂鏤空制作，由于鏤空處頂部有凹槽需要分步制作，首先制作出頂部外邊兩側(cè)，定好基準(zhǔn)面再分別繪制出頂部的范圍，再把基準(zhǔn)面定到需要擠出柱體的位置，之后進(jìn)行中間凹槽的部分制作，最后完成整個(gè)樓頂?shù)闹谱鳌?/p>

4.4 紋理映射

紋理映射分手動(dòng)貼圖和自動(dòng)紋理映射兩種，先使用自動(dòng)紋理映射后使用手動(dòng)貼圖對(duì)模型紋理進(jìn)行細(xì)化修改，要能夠準(zhǔn)確地反映出建筑物表面特征[6]。

4.5 單體化成果

通過(guò)大疆智圖得出的三維模型，由于整個(gè)模型存在破洞、拉花和部分結(jié)構(gòu)殘缺，于是采用Dp-Modeler進(jìn)行模型的重建修復(fù)。最后對(duì)建筑立面孔洞進(jìn)行補(bǔ)洞，紋理映射與手工貼圖，最后得出精細(xì)化建模后的三維模型結(jié)果。模型精度分析如下：由模型精修完成后可知，墻面平整，整體效果較好，將對(duì)模型精修前后進(jìn)行“模型量測(cè)距離”精度驗(yàn)證，根據(jù)大疆智圖重建完成三維模型后采用標(biāo)注與測(cè)量工具對(duì)柱子、立面、屋頂?shù)冗M(jìn)行尺寸測(cè)量，得出數(shù)據(jù)與精修完成后的模型進(jìn)行尺寸精度對(duì)比，如表1所示。

數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以大疆智圖三維模型數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，考慮到軟件生成模型會(huì)產(chǎn)生誤差，根據(jù)《三維模型規(guī)范》平面精度誤差在±20 cm，由表1可知三維航測(cè)模型的精修是真實(shí)可靠。

5 結(jié)論

隨著測(cè)繪技術(shù)日趨完善，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)更加有效地提高了工作效率，被廣泛運(yùn)用。該文利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)龍巖學(xué)院研究生公寓樓復(fù)雜高層進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用Context Capture與大疆智圖處理外業(yè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合Dp-Modeler軟件進(jìn)行手工建模，對(duì)公寓樓進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，總結(jié)得出一套對(duì)異形高層建筑物較為有效的解決方案，其主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）相比傳統(tǒng)手工建模，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率得到有效提高。

（2）通過(guò)Dp-Modeler中紋理映射貼圖真實(shí)紋理，結(jié)合手工貼圖的效果，使得建筑物模型讓人們感到更直觀更符合人眼視覺(jué)的真實(shí)世界，并充分地表現(xiàn)其細(xì)部特征，從而彌補(bǔ)了大疆智圖三維重建中的缺陷。

（3）根據(jù)傾斜攝影測(cè)量拍攝獲取的多源視角、高分辨率的影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)模型與影像融合一體，使模型可以得到更準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并清除了單一數(shù)據(jù)多源視角、分辨率等方面的限制，在作業(yè)時(shí)大大地提升了建模的速度和效能。

參考文獻(xiàn)

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