低成本单镜头倾斜摄影技术三维建模

针对小范围、低成本的实景三维建模，传统五镜头或两镜头倾斜摄影系统因载荷、成本、飞控等问题显得不合时宜。本文采用多旋翼无人机搭载单镜头相机，选用无人机管家软件设置飞行航摄控制参数，基于Smart3D Capture软件多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 构建贵阳市花溪区某试验区实景三维模型。通过单点精度检验，符合大比例尺航空摄影测量内业规范要求。在房产测量、地籍测绘、模型展示等领域具有低成本、高效率、高精度优势。

引 言

实景三维模型是城市空间信息的重要表达方式，对城市规划、建设、管理、应急响应有重要作用。传统三维城市建模工作的速度、效率及时效性难以满足三维城市的应用。相对于传统实景三维建模，利用无人机搭载光学镜头进行倾斜摄影快速生成三维模型的作业方法更高效，成本更低。倾斜摄影三维建模已经成为获取三维模型数据的重要手段。

目前市场上主流的倾斜摄影方案多以五相机、双相机方案为主，通常相机模块价格比较昂贵，多镜头相机要求多旋翼无人机具有超高稳定性和续航能力。

相比之下，单相机倾斜摄影方案成本更低，在小范围三维建模项目中更具有优势。实景三维模型成果除了能用于大比例尺成图以外还能用于1:500地籍调查、不动产登记确权、地质灾害分析、公安应急消防、智慧城市、带状公路规划设计，城区改造、文物保护等。

实验区地理概况

试验区位于贵州省贵阳市花溪区，海拔 1106 m ～1134 m，试验区内主要为学校等建筑及相间绿化带，面积约为 1km2。

三维实景建模

单镜头倾斜摄影系统

单镜头倾斜摄影系统采取“井”字形的航飞作业办法，镜头朝向一个角度，采取密集航线，“井”字交叉飞行采集数据。该系统能快速、有效地获取地物的影像及纹理特征，借助数据处理软件，快速实现三维建模。本次试验采用某品牌智能航测系统 D1000。

系统固定翼无人机重量 1.38 kg，

轴距 350 mm，

最大上升速度 6 m/s，

定位模式最大飞行速度 50 km/h，

抗风速 10 m/s，最大航时 30 min。

云 台 角 度 控 制 精 度±0. 02°

系统采用 DJI FC6310 型号相机，f /2. 8－f /11 带自动对焦，焦距 35 mm，2000 万像素。

本次航飞航向重叠、旁向重叠 80%，飞行高度110 m，地面分辨率 3 cm。

无人机管家软件

无人机管家是一款优秀的飞行控制软件，集中了智能航线、智能飞行、智能检图、智能拼图、智能监控、维修保养等多个模块。从航线规划到飞行控制、从图像预处理到一键拼图，从云端数据共享到维修保养，无人机管家软件为用户提供一站式航测服务，无人机管家航线规划界面如图 1 所示

图1 无人机管家航线规划界面

技术路线

单镜头多视角倾斜摄影航线不同于一般多镜头倾斜摄影，采取“井”字形的航飞作业，因此对航线设计提出更高要求。得益于智能航线规划软件，生产作业中只需对地面分辨率、重叠度、相对行高关键参数进行设置，即可实现航线规划。多视立体视觉算法密集匹配也是倾斜摄影三维建模中的关键技术。更多干货敬请关注：GIS前沿 传统基于灰度和特征的匹配方法难以获取满足建模需要的同名点，基于多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 自动匹配连接点，可以得到高精度和高密度的点云数据，是实现精细三维建模的关键流程。

单镜头多视角倾斜摄影技术实景建模步骤如图 2所示:

图2 单镜头多视角倾斜摄影技术实景建模方法流程图

三维建模结果

将原始数据导入 Smart3D Capture 软件，基于多视立体视觉算法( PMVS) 和运动结构恢复算法( SFM) 自动匹配连接点。野外像控刺点后，经过三角网构面，纹理映射，模型修补，生成实景三维模型。图 3 ～ 图 6 为软件中三维模型截图。图 6 模型细节完整，未见扭曲拉花粘连情况，建筑外墙面平整，外墙楼名清晰。

图3 白膜

图4 三角网

图5 三维模型

图6 模型细节

三维建模技术在数字城市建设、城市应急管理、地形测量、不动产测绘项目中有广泛的应用。倾斜摄影三维建模最终成果是高精度、可测量的，可裸眼实现地形测量。三维模型多视角测量在不动产测量中比传统摄影测量更为高效，直接量测建筑外围墙壁，省去传统屋檐改正步骤，提高作业效率。

精度检验

针对模型成果精度检验，选取 6 个分布均匀的检查点，野外实地坐标与模型坐标对照如表 1 所示:

检查点精度对比表

检验结果各地物特征点△X 最大值 0．09 m，△Y最大值 0．09 m，△H 最大值 0．08 m。满足大比例尺测图实际需求，在不动产测绘项目中，模型精度可以满足作业生产。

西南云贵山区，地形起伏大，植被覆盖率高，增加了航空摄影测量工作难度。与传统五镜头或两镜头倾斜摄影相比，单相机倾斜摄影方案成本更低，在小范围三维建模项目中更具有优势。本文以实际试验数据表明单相机倾斜摄影方案确实可行，在小范围、低成本、工期短、精度要求高的实景建模项目中具有较好的实际应用效果。