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三维校园建模中无人机倾斜摄影测量技术的应用

2020-10-23 383 上传者：管理员

摘要：传统的三维建模手工编辑工作量大，建筑物贴面纹理依靠人工地面拍摄影像，属于劳动密集型效率低下的作业方式，严重制约着智慧城市建设的效率。多视倾斜影像三维建模技术的出现，能够实现360°环绕无死角拍摄，突破了航空影像竖直摄影无法获取建筑物侧面纹理的局限，为市区三维建模提供了更丰富的地理信息。同时，基于倾斜摄影测量技术的地理场景三维建模技术具有高效、精确、目标遮挡小等优点，现已成为三维地理信息获取采集的重要技术手段。重点论述了如何利用无人机倾斜摄影测技术实现杨凌职业技术学院南校区真实三维模型的构建，并且如何精细化建模，使得模型的细节更为真实。

关键词：
三维校园
倾斜摄影测量技术
建模方法
无人机
测绘学
精细化建模
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自动化三维建模是构建智慧校园平台的关键技术，同时也是智慧城市发展的重要基础部分。高校非常有必要更新教学内容，紧跟行业的技术前沿。因此，以杨凌职业技术学院南校区为研究对象，采用华测P550六旋翼无人机对校区做低空倾斜摄影测量。获取数据之后，通过CC(ContextCapture）软件内业数据处理、空三解算，建立校区三维模型。之后对于模型做精细化处理，做一系列的修测修正，得到校区高质量的三维实景模型，为教学获取了经验与一手数据，开发了新的实验项目，达到提高教师与学生的实践操作水平的目的。

1、三维校园建设的意义

三维校园相对于平面二维校园展示，更加直观、逼真，可以实现多方位、多角度漫浏览校园景色，展示校园形象和文化。通过三维交互功能实现自主漫游，使用户产生一种身临其境的感觉。添加楼宇相关属性信息，可以直观地获取各个建筑物的功用，对于招生宣传、新生入学初识校园均起到便捷、准确、快速高效的引导作用。

2、三维校园建设技术路线

三维建模的方法五花八门，目前最为热门的方法是BIM和倾斜摄影测量。BIM全称是建筑物信息模型，主要解决未建成建筑物的设计模型的搭建，而倾斜摄影测量技术目的是获取已有建筑物、构筑物和所在场景的实景模型，即所见即所得。在一些项目立项阶段，通常将这两种技术合起来，作为在已有城区或者场景下，新建建筑物与原有实景的匹配度的展示，这比起之前用平面图靠想象来解释项目可行性要直观的多，因此，该技术被越来越多地应用在立项展示中。

3、校园三维建模的方法

3.1倾斜数据的获取

倾斜数据的获取主要分为测区踏勘、航线设计和飞行实施3个环节。通过踏勘获取测区的地形，并按照成果质量要求，设置飞行航高、重叠度和航摄飞行方向进行航线规划。同时，为了获取高精度三维模型，还需在测区布设一定数量的外业像控点作为约束条件，像控点的布设分为事前控制和事后控制。事前控制用于项目工期时间充裕的情况，事后控制则相反。此外事后控制一般多在城镇测区采用，地面自身多有规则的几何纹理。控制点的数量取决于项目精度要求，控制点数量越多精度越高，一般要求在测区四周加中央均匀布点。

3.2数据预处理

预处理主要包括检查航拍像片的质量，是否存在漏拍、严重色差、云雾遮挡、不合理曝光等情况。需要对像片做匀光匀色、图像增强、去畸变或者补拍等处理。此外，需要将POS数据与影像数据按照一定的命名规则进行重命名，建立二者的映射关系。

3.3校园三维模型构建

内业三维模型构建主要分为空三处理和模型重建。空三处理的目的是通过提取多视角影像中的同名像点进行匹配点连接，并进行区域网联合平差解算出单张影像曝光瞬间的外方位元素。模型构建即构建不规则三角网TIN，并根据TIN生产无色彩的白模，同时根据三维模型空间位置信息及空三解算出的影像位置信息，实现目标纹理的自动映射，最终输出基于真实自然纹理的高分辨率实景三维模型。

4、实验过程

4.1测区概况

本次实验以杨凌职业技术学院南校区为试验区，测区南北长约500m，东西宽约600m，测区平均高程为420m，地势平坦无地形起伏，建筑物较多且规则分布，最高建筑物为11层，总高度35m。

4.2外业航拍方案制定

采用华测P550六旋翼无人机，HC12五镜头倾斜相机集成了一个垂直和四个倾斜相机，四个倾斜相机倾斜角度为45°。单镜头像素6000×4000,5相机总像素1.2亿，物理像元尺寸是3.9μm。校区内建筑物多为6层高，坐南朝北，最高建筑物为11层，总高度35m，因此，相对航高设置100m，航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为60%。为了获取建筑物侧面纹理信息，航线布设为南北向，由于倾斜相机倾角为45°，根据相对航高，可计算出航摄范围四边均需要外扩100m。

4.3内业三维重建

外业采集完数据后，导出五镜头像片，分别存放在“F、B、L、R、M”五个文件夹中，依次对应“前视、后视、左视、右视、下视”。另外，还须导出POS数据。

外业像控采用事后控制，校区地面有明显的规则几何图形，例如操场跑道线划、篮球场地面线划、食堂门口的蓝白相间的几何方砖等，采用RTK快速静态多次拟合采集控制点数据。整理刺点片、控制点文件。

内业建模采用CC软件（ContextCapture）。先导入像片，可以提前将像片存放的位置与pos文件做成一个“block”文件，只需导入该块“block”文件，即可将五镜头相机文件、POS数据一并导入。建模中需要正确设置测区坐标参考系，这将关乎建模精度。根据设备机器配置可以切分成若干个小块进行建模，导出结果为3SM的成果文件。

对于玻璃幕墙、雕塑上的字体、校门口的大字等细节建模时可以采用手机拍摄细节图片，与航拍的像片一起参与建模，细节呈现清晰真实。也可以采用模型精修软件，例如武汉天际航的“DPModeler”软件模块，可以选用多视角中相对某一特定方位最佳视角影像进行替换，来达到精细化细节呈现的目的，校园北门、南门视角实景模型分别如图1和图2所示。

图1校园北门视角实景模型

图2校园南门视角实景模型

智慧校园功能模块开发，系统自带有三维漫游、量测功能，对于各建筑楼宇的属性查询，可以借助GIS软件，对单体化后的每栋建筑物填加属性信息，来实现目标查属性，属性查目标的GIS查询功能。

5、结语

本文采用无人机倾斜摄影测量技术完成了校园实景三维模型的构建，体现出倾斜摄影测量三维建模技术的快速、高效、纹理真实、细节清晰等特点，既可以展示校园内优美的环境，助力招生宣传，又可以实现楼宇信息查询，方便来访办事者，为校园规划、设备管理等决策提供了数据支撑。

邹娟茹,孙兴华.基于无人机倾斜摄影测量技术的三维校园建模[J].科技与创新,2020(20):61-62.

基金:杨凌职业技术学院自然科学研究基金项目“基于无人机倾斜摄影测量的三维智慧校园建设”(编号:A2018040).