应用 | 基于UAV航拍影像的三维实景建模及其应用
基于UAV航拍影像的三维实景建模及其应用
沈照庆，李健，鲁武当，温振国
（长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064）
摘 要
UAV（无人机）技术的快速发展及倾斜摄影技术的出现，使得基于航拍影像数据的三维实景快速建模成为三维建模领域的一项新技术。笔者对基于UAV航拍影像数据的三维实景建模原理进行了深入阐述，以实际项目为例对建模过程及建模过程中各环节应注意的问题进行了说明。基于该建模技术具有建模速度快、模型精度高等特点，对该建模技术及建模成果的应用进行了探讨，提出该建模技术能够用于道路设计、城市规划、抢险救灾等领域中。
关键词
UAV；三维建模；设计辅助；城市规划；灾场重建
近年来，三维实景建模技术越来越普及。与传统手工建模过程不同，基于影像数据的三维实景建模过程是一个正向建模过程。传统的建模方法需要的建模时间长，其模型精度很大程度上取决于建模人员的技能高低，而且传统的手工建模方法只适用于对较小单体或简单场景的三维重建。基于影像数据的三维实景建模技术是基于图像的三维重建，这一建模方法通过对几百张甚至是几十张影像的解算，便可得到待建模区域的三维模型。其建模速度和建模精度均远高于传统手工建模，其精度在严格的控制下甚至能够达到毫米级[1]。国内很多学者对该建模方法进行了研究：周晓波等[2]对基于无人机倾斜摄影的快速建模方法进行了研究，指出基于倾斜摄影技术能够快速构建真实直观的三维模型，同时指出该技术将成为摄影测量发展的新方向；李伟哲[3]对影响实景建模过程中空中三角形解算精度的因素进行了分析，指出航拍比例与分辨率不统一以及地表物体遮挡等因素均会影响空中三角形测量的精度；潘亮等[4]提出可将实景建模技术应用于影视制作中；朱定国[5]对实景建模技术在水利工程中的应用进行了研究，并对其建模精度进行了分析。事实上，三维实景建模技术虽然具有建模速度快、模型精度高的特点，但是关于该建模技术的应用还处在不断探索中。
1 建模原理
建模原理示意图
1. 1 原始数据
原始数据主要指重建目标的影像数据。其中影像数据包括垂直影像与倾斜影像，此外还包括POS数据（经纬度、倾角、俯角、旋角等）。实景建模中影像数据由架设在无人机下方的高清相机进行采集。需指出的是，为保证建模的精确性，在进行无人机航线设置时，应保证其具有足够的航向及旁向重叠度。
1. 2 空中三角形测量计算
空中三角形测量计算（以下简称空三计算）是原始数据处理的第1步。影像数据包含垂直摄影与倾斜影像，其中倾斜影像数据计算无法用传统同名像点自动量测算法。此时，倾斜影像的初始方位元素以摄影瞬时POS系统的观测值为准，每一像元的物方坐标通过成像模型计算。基于物方的多基线立体匹配技术能够在倾斜影像之间生成大量的连接点，与外业控制点结合后通过区域网平差，能够完成多视角空三测量，得到空三计算报告。
1. 3 匹配生成密集点云
该过程主要是为生成数字地表模型（DSM），相较于DEM（数字高程模型），DSM 不仅包含地形高程信息，同时还含有除地面以外其他地物高程的信息。基于多视影像密集匹配技术（见下图），得到高密度数字点云，模型构建和正射影像图可在基于优化构网算法构建的数字地表模型中获得。
影像外方位元素通过空三计算得到，通过分析选择最佳影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级匹配，并行算法的引入，能够有效提高计算效率。获取高密度DSM数据后，通过滤波处理，最终形成统一的数字地表模型（DSM）。
多视影像密集匹配示意图
1. 4 构建不规则三角网模型
由于高密度点云其数据体量非常大，因此需进行切块处理才能进行不规则三角网构建。三角网构建具体过程如下：首先，根据同一地物在不同拍摄角度下的影像信息，以参考影像不固定的匹配原则进行每个像素的匹配[6]；其次，基于多视影像匹配的冗余信息，避免在获取多视影像上同名点坐标时由于遮挡对匹配产生的不利影响，同时为提高计算效率引入并行算法得到高密度三维点云数据；最后，通过对三角网的优化和简化，提高匹配精度，降低数据冗余[7]。最终获得不规则三角网模型。
1. 5 模型与纹理的配准与贴附
基于瓦片技术将建模区域划分为多个大小相等的区域，基于集群处理并行机制将分割好的每个区域建立成一个任务，并且将任务分配给各计算节点进行运算，进行模型与纹理影像的配准以及纹理贴附，完成上述工作后得到三维场景。
2 建模步骤
以安康市恒口镇某项目为例，对基于无人机航拍影像的三维实景建模过程进行说明，建模软件选用Contextcapture。
2. 1 影像数据采集
影像数据采集是建模的第1步，是三维重建的起点。该次建模中，图像采集设备主要由四旋翼MD4-1000航拍无人机、索尼A7R相机组成。此外，由于无人机需进行航线布设，因此，除图像采集设备之外还有地面站控制系统，它包括笔记本电脑和地面监控软件。
该次建模按照摄区走向敷设航线（见下图），同时为保证三维数据生产成果质量，航线敷设时采用大重叠率：航向重叠率为80 %，旁向重叠率为70 %。此外，为充分保障摄区边界部分三维数据生产效果，该次航拍中，摄区航向与旁向方向边界各向外延长了100 m外扩距离。
无人机航线示意图
航线设置完毕后便可进行航拍，该次航拍相对航高大约200 m，地面分辨率约为5 cm，飞行架次共计6次，采集到摄区图像528张（见下图）。将图像导入电脑，经初步查看，确认图像清晰完整，摄区布设的控制点也清晰可见，因此可进行下一步建模工作。
航拍影像
2. 2 图像预处理
将摄区影像数据导入Context Capture中，进行空三计算。具体步骤如下：通过新建工程，设置工程目录，填写必要备注信息，即可成功创建1个工程。在空白工程的新区块导入影像数据，根据测区实际情况选择投影坐标系并导入相控点，对每个架次影像进行刺点操作。无人机航拍时自带GPS 定位系统，并将拍照时的概略位置信息实时写入照片的EXIF 信息内，故无需再次将位置数据导入其中[8]。但由于照片中并未包含姿态数据，因此在导入照片以后，系统提示“影像信息不完整”，则需要通过空三计算处理来获得每一幅参与解算影像的精确位置信息及角元素信息。同时，输出拥有连接点的概略3D 视图模型，根据连接点模型，查看空三计算结果是否正确，同时检查空三计算后相控点的精度，避免因模型分层、影像位置信息错误、匹配漂移、相控点刺点错误等原因导致的空三计算结果不满足要求，造成后期的返工。当完成所有解算影像的匹配后，具有了完整且精确的位置信息及角元素信息，相控点匹配精度满足要求，即完成了空三计算。
2. 3 项目生产
完成空三计算后，便可在该基础上进行项目生产工作。在该阶段，可根据不同需求选择不同成果输出格式。Cont ext Capture能够输出包括数字点云和三维网格等多种类型建模成果。不同类型产品成果可以导入相应软件中进行浏览与编辑。（下图）是输出格式为3mx的建模成果，该格式为Bentley软件中的通用格式，能够方便地将该三维模型导入其相应的设计软件中作为参考。
建模成果
3 三维实景建模成果的应用
无人机影像数据的三维实景建模由于建模速度快、模型精度高、模型成果数据兼容性好，被广泛应用于勘察设计和城市规划等诸多领域。
3.1 道路辅助设计
如何合理地布置路线位置是道路设计工作首先要考虑的问题。如路线走向、横纵坡、道路与周围地形地貌的协调程度等，尤其是在旧路改扩建设计时，应特别关注道路两旁建筑物、照明设施、通信设施等分布情况。设计人员在设计过程中通常只有地形图这一参考资料，但由于地形图更新较慢，导致地形图与现状地形地貌存在着较大差异，特别是一些现有构筑物或照明通信等设施并未在地形图中标出。设计人员往往要通过对地形进行复测，在地形图上对现有建筑物或是通信照明等设施进行补充标注，这一工作将耗费很多人力与时间。事实上，通过对原有道路及周边区域进行三维实景建模，利用其建模成果，可以大大减少地形图复测这一工作的工作量。由于基于无人机影像数据的三维建模其模型成果中带有坐标信息，因此在道路设计中可将建模成果导入相关设计软件中作为设计参考。（下图）即为将建模成果导入至 Microstation软件中的画面。三维模型有别于地形图，能够以更直观地三维视角查看并考虑道路与周围建筑物、照明通信设施的位置关系，避免后期设计中地形图的复测与返工。
将模型导入至 Microstation软件
3. 2 城市规划
建筑物的日照条件及建筑群之间的通视条件是城市规划中必须要考虑的问题[9]。以日照问题为例，对于居民建筑，采光条件的好坏严重影响居住生活质量，特别是在冬季，采光对于部分由于建设问题或其他原因导致供暖不足的小区来说更是不可或缺。
城市规划中对于日照问题的分析，主要是分析建筑物及绿化植被受到阳光直射的情况[10]。建筑物外形、建筑朝向和相互之的距离、城市道路分布是否合理等因素都会对采光产生较大影响。特别是对于城市中的高层或超高层建筑而言，建筑朝向和其与邻近建筑之间的距离都将不同程度地影响建筑物的采光情况。因此，在城市规划中，需要对建筑物的分布作出合理安排。基于三维实景模型的建筑物日照及通视分析能够有效地指导这一工作。可建立相关区域的三维实景模型，然后将实景模型导入到相应软件中进行模拟分析。图“日照分析”、图“透视分析”是将建立好的三维模型导入Supermap idesktop后对模型中局部区域作日照条件和通视情况分析。图“日照分析”是对某个建筑单体做日照分析，分析该建筑每天各个面的日照情况，图“透视分析”是对多个建筑物之间的通视情况进行分析，分析时可以对模型中任意物体的坐标进行编辑，用以对比模拟规划前后的2种情形。这对于如何合理地布置建筑物分布情况具有较大的指导意义。
日照分析
透视分析
3. 3 灾害现场重建
自然灾害和重大事故的多发对人类安全和社会经济造成了严重的威胁。在抢险救灾工作中，准确地掌握灾害所在地现场实际情况对于抢险救灾工作中灾情评估及救灾方案的部署而言至关重要[11]。特别是对发生在地形条件或周围环境比较复杂地区的灾害或重大事故，如2015年天津滨海新区“8·12爆炸事故”及2017年“8·8九寨沟地震”。以滨海新区爆炸事故为例，事故地点位于危险品仓库运抵区，周围环境复杂，都是仓储区且多用于存放易燃易爆危险化学物品。由于爆炸现场危险品数量、种类以及存储方式不明，救灾人员直接进入爆炸区域对事故现场进行勘察危险性极高。该种情形下，无人机高空航拍能够帮助抢险救灾人员快速了解事故区现场的整体状况，为救灾方案的部署提供依据。同时，利用无人机影像数据快速建立事故区三维实景模型，为灾情评估提供有效依据。避免现场勘查时人员直接进入现场由于二次事故而造成伤害。同样，对于重大自然灾害，救灾人员难以进入灾害区域对灾害现场进行勘察时，利用无人机对灾害现场的航拍影像数据，可快速建立灾区三维实景模型，利用其对灾害进行评估并指导救援方案部署。
转自市政技术
结语
1）通过对拟设计或改造道路沿线区域进行建模，在道路设计时可将该模型作为参考以便更合理地对路线位置进行布置。城市规划中，通过对模型中建筑物的光照条件及通视情况进行模拟与分析，能够帮助规划工作者更好地布置建筑物的位置与相邻建筑物之间的距离。特殊地区抢险救灾中，利用无人机航拍影像数据三维建模能够实现对灾害事故区的快速重建，能够帮助救灾人员进行灾害评估及救援方案部署。
2）建模过程中为提高模型精度，在航线敷设时应选用较大的航向及旁向重叠度，地面控制点布设应注意其坐标精度。
3）受无人机续航能力所限，需飞行多个架次才能完成摄区图像采集。因此如何提高无人机续航能力是未来无人机发展需要解决的问题。
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