无人机+地面补拍+激光雷达！城区小范围精细建模方案

一、本方案解决的问题

倾斜摄影测量是最近几年流行起来的新型测绘技术，该技术能够解决大面积的城区三维建模问题，但是由于视线遮挡，譬如：屋檐、雨棚、窄巷道等原因会造成倾斜摄影存在一定的死角（图1红色圆圈处）。

图1 屋檐结构引起的局部变形

二、本方案的技术流程

本解决方案会采用无人机+地面补拍+激光雷达的方式进行。

具体流程如下：

1. 高分辨率无人机倾斜5镜头（DJI-P1最佳）+航线规划软件（推荐WPM），采集大面积倾斜数据。

采用5镜头的倾斜相机是大面积获取三维物体的最佳方案，并且由于配有RTK系统，5镜头生成的倾斜数据的精度可以达到平面5公分，高程10公分以内。5镜头倾斜数据可以作为地面补拍和激光雷达的控制点，也同时获得了屋顶和墙面的数据。

 NO.1  

拍摄注意事项：

1）尽量阴天进行拍摄，避免纹理有斑点。若不能避免，尽量在短时间内获取无人机数据；

2）规划多条不同高度的航线（每次下降20%），这样可以保证空三成功效率，纹理过度也比较自然，同时对象的几何精细度也能增强；

3）如果有重点区域，墙面纹理的可以使用WPM，根据倾斜模型规划精细航线（图2所示）；

图2 WPM精细航线规划

4）若有重点区域（一般是纹理需要），可以手动飞无人机进行采集；

5）控制点和检查点布设间隔为200-300米一个，控制点采集采用强制对中杆。以上所有拍摄保持80%的航向，70%的旁向重叠率。

2.高精度无人机激光雷达采集测区的地形

采用高精度无人机激光雷达采集测区的地形数据，可以很好的完善屋顶，道路的几何结构（图3所示），也可以使用激光雷达数据给倾斜数据做高程控制点，同时也可以解决部分楼间距过窄引起的模型粘滞情况。

 NO.2  

拍摄注意事项：

1）坐标系应该与倾斜数据的一致，均采用国家2000高斯投影+1985高程系统，或者地方坐标系统；

2）尽量采用PPK技术，基站架设符合国家标准；

3）重叠率应该在50%左右；

4）雷达数据的高程应该要利用控制点，建立高程改正模型进行改正。

图3 无雷达（左）与有雷达（右）几何结构得到明显提高

3.地面补拍照片

地面补拍照片可以根据不同的拍摄对象采用不同的拍摄设备和拍摄方式。

1）如果是墙面，可以采用手持照相机，比如Sony 5100，拍摄应该使用专门的三脚架，拍摄距离，基线比应该保持在7左右。墙面如果是弱纹理，可以人工铺设控制点（图4所示），控制点测量采用全站仪等方式测量。

图4 标靶类型

2）如果是街道，采用鱼眼镜头，比如Sony 5100+E口鱼眼镜（图5所示）头，拍摄应该使用专门的三脚架，拍摄距离和基线比应该保持在7左右。

图5 鱼眼镜头

街道由于两边都有物体，如果单靠一个鱼眼镜头可能，无法获取全部的物体，因此本方案提出一种基于Gopro 7镜头相机的街道数据获取装备，如下图所示。它是由7个Gopro鱼眼镜头组成，5个倾斜向下30°，2个倾斜向上30°，可对目标进行360°的无死角覆盖。并且配备三角滑轮和3m的伸缩杆，可以拍到2层楼高的地方，设备如图6所示。

图6 Gopro 7镜头地面补拍设备

街道数据采集的时候，可以先使用Sony鱼眼镜头获取一遍数据，而后使用Gopro相机获取其余几何结构和精细的纹理。两种相机拍摄都需要来回街道采集。下图7就是Sony+gopro 7镜头生成的的三维模型数据。

图7 Gopro 7镜头地面补拍设备建模效果

3）如果是窄巷道，对此只能使用Gopro 7镜头进行数据的采集，拍摄距离和基线比应该保持在7左右，具体三维建模效果见图8所示。

图8 Gopro 7窄巷道建模效果

4.地面补拍照片的控制点获取

由于地面补拍的照片通常不带POS数据或者POS数据不准确，但是由于补拍的纹理和几何精度较高，因此控制点可以通过无人机的倾斜数据或者激光雷达中获取，通常可以选择地面斑马线，指示线，窗户等物体作为控制点。对于窄巷道等目标，控制点的获取应该采用全站仪，建立图根导线，利用后视定向获取控制点坐标。

5.地面架站式激光雷达扫描仪数据获取精确的街道立面几何结构

架站式扫描仪数据获取精确的街道立面几何结构，精度可以达到毫米级别，且可以利用扫描式三维激光扫描仪数据对地面补拍的数据进行一个空三调整（图9所示）。架站时需要布设地面标靶，每站之间需要有三个标靶以上的重合点，用来做测站拼接。或者如果扫描仪有全站仪导线式扫描功能（比如Leica P40），则可以利用该功能进行扫描，无需布设标靶点，同时也能直接得到地理坐标系。如果架站式扫描仪无法获取精确的地理坐标，则需要我们使用第三方软件比如CloudCompare或者TRW（Trimble RealWorks）进行一个坐标的转换。

图9 利用雷达数据对照片空三结果进行纠正（左到右：纠正前，纠正后）

6.数据合并与生产

ContextCapture中，三种不同数据源（无人机倾斜数据+无人机激光雷达数据+地面补拍数据）处理步骤大概为：

1）先跑无人机倾斜数据，出一份三维倾斜模型；

2）添加无人机激光雷达数据对屋顶，对倾斜数据的道路结构进行优化；

3）添加地面补拍照片数据，刺控制点，进行空三；

4）最后添加架站式激光雷达数据对地面补拍的街道立面，窄巷道上述第3步的空三进行优化；

5）融合上述空三文件；

6）生产三维模型。

7.其他可能需要处理的情况

1）相机需要校准，可使用棋盘格进行校准

2）照片色彩，亮度差异大，需要进行调整，可使用PS等软件进行调整

3）空三失败的其他情况。

三、倾斜摄影模型效果对比

无人机+近景与无人机影像倾斜摄影模型对比

具体效果对比可复制跳转B站查看：https://www.bilibili.com/video/BV1D64y1B7Yz/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=6a9423c93d55613b054511d033ad9dcb

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