无人机倾斜摄影实景三维建模技术研究与实践

樊新乾 麻丽明 武晓英 王庆斌

无人机倾斜摄影实景三维建模技术是无人机挂载图像采集传感器，采集被采集对象图像数据、位置数据，经过后期内业处理，得到被采集对象全面的位置信息以及表面纹理数据信息，生成实景三维模型。本研究以河北机电职业技术学院实景三维模型数据采集及内业数据处理为例，探索并实践了基于无人机倾斜摄影实景三维建模技术。

1无人机倾斜摄影测量技术

随着无人机机载传感器的不断改良，无人机在测绘摄影功能上得到不断强化，无人机行业的发展，无人机设备多样化及成本也随之降低，近些年，无人机倾斜摄影测量技术是国内外测量领域中发展应用起来的一项高新技术，已成为摄影测量领域中一个新的研究热点。传统测绘人工编辑工作量大，建筑物贴面纹理依靠人工地面拍摄影像，属于劳动密集型的工作场景，严重制约着智慧城市建设的效率，耗费体力的同时降低了工作效率。

无人机摄影测量与传统测绘相比有以下三大特点：高精度，高效率，低成本。三维建模的难度比二维数据要复杂的多，随着测绘技术的发展和三维建模算法的不断优化，数据获取的方法越来越多，精度越来越高，分析各种三维建模方法的优缺点，现阶段，无人机倾斜摄影技术的重要性逐步提高，已成为是智慧城市三维建模的主要技术。

2无人机倾斜摄影数据采集

目前常用的倾斜摄影无人机有大疆创新公司系列产品，如精灵PHANTOM4 RTK单镜头系统、M300 RTK搭载倾斜摄影五镜头系统、深圳飞马机器人科技有限公司飞马智能航测F300固定翼无人机系统，成都纵横自动化技术股份有限公司CW-15垂直起降无人机系统等。以上三大系列涵盖了多旋翼，固定翼、垂直起降等多种机型。

无人机倾斜摄影采集方式主要有三种：第一是使用像大疆创新精灵PHANTOM4 RTK版本，搭载单镜头无人机，数据采集需要按照五向或者“井”字形航线，在空中多角度重复飞行，适用于小范围数据采集或者单体建模。第二种是使用摇摆或旋转两镜头，在采集区域飞行一个架次，多次多角度拍摄来采集数据，目前已逐步被五拼相机所代替。第三种使用无人机搭载五镜头相机，同一位置采集五个方向数据，适用于大范围数据采集，三种方式各有不同的应用场合和优缺点，使用时根据具体情况选择。

3航测内业数据处理

航测内业数据处理是倾斜摄影测量的重要环节，利用照片进行三维重建是一项关键性的技术。倾斜摄影测量技术获取多角度的高分辨率测量影像数据，并实现大场景，超精细，实景三维的最真实还原。倾斜摄影建模采用高精度、高效率、一体化的自动建模技术，建立测区三维模型。倾斜摄影实景三维建模技术集倾斜摄影、空中精密定位和基于密集匹配的自动建模技术于一体。倾斜摄影实景三维建模软件主要有包括了Pix4Dmapper、Smart3D、PhotoScan、街景工厂等，PhotoScan软件较小，但是生成的模型纹理效果不是太理想，Smart3D三维模型效果最为理想，而且人工修复工作量较低。利用PhotoScan、Smart3D等相关软件，在有无像控点的的情况下，能够完成多视图、多视角的三维重建，还原出最真实的三维场景。同时，利用相关数据处理软件可以精准测量被测对象三维模型的面积、高度、长度、体积等数据。

4河北机电职业技术学院实景三维模型的建立

本项目的测量区域为河北机电职业技术学院校区，位于华北平原南部，学校所处区域地势平坦，海拔落差不超过5米，学校最高建筑物为主楼，高度约为60米，其他主要建筑均不超过6层，校内包括实训楼，教学楼，实习工厂，食堂，学生宿舍，田径场、在建公寓楼等，占地总面积约为55万平方米。

本项目无人机倾斜摄影数据采集设备为精灵PHANTOM4 RTK，精灵Phantom4 RTK是大疆创新公司出品的小型多旋翼高精度航测无人机，主要面向低空摄影测量应用，具备高性能成像以及厘米級导航定位系统，携带使用方便，能够全面提升航测效率。

5作业流程

参考标准《1：500、1：1000、1：2000地形图航空摄影规范》（GB/T15661-2008）对测区合理设计航线，确保目标摄区被完全覆盖。飞行高度根据周边建筑高度以及模型分辨率而定。

第一步考察现场，航测作业前，综合考虑无人机飞行参数，测区地形地貌、所需测量精度等因素，根据奥维地图确定被测范围，确定相控位置，建筑类模型布控以“米”字形进行铺设。

第二步航线规划，飞控软件规划航线，无人机按照设计航线飞行，航高需要高于建筑物40-80米，确定为110米，航向重叠度以及旁向重叠度均设置为75%。实际工作中根据天气实况、地物、地形情况以及参考曝光量，确保曝光量的准确。

第三步实地作业，首先利用中海达手持RTK，进行相控的铺设，铺设完相控，利用精灵PHANTOM4 RTK进行航飞，拍照模式选择等距间隔拍照，时间间隔为2s，边距0m.根据航线规划，飞行速度设为8m/s，分辨率为1.5cm。本次共获得航片8572张。POS数据由无人机在数据采集时生成，包括海拔、经纬度、高度、飞行姿态等丰富的信息。

第四步数据处理，外业采集结束后，将采集回来的照片，相控数据导入进按照Smart3D软件实景建模的相关技术流程，打开smart3D软件，新工程-建项目（英文名称），选择文件保存的路径，影像导入处理好的照片目录：添加影像，添加整个目录，检查影像文件是否完全导入，点击概要提交空三测量数据等待空三结果计算完毕后，查看3D视图是否可以进行建模。

6结语

通过河北机电职业技术学院实景三维模型，并且制定了规范的无人机外业数据采集以及内业数据处理的教学项目，有效的指导了无人机应用技术专业航测应用教学工作。提高专业师生的实践能力，实现测量、标绘、分析、内容演示、模型优化、三维全景展示、可视化管理平台深度，助力智慧校园建设。

课题来源：河北省高等学校科学研究项目，项目编号：Z2018233。