基于Smart3D的无人机倾斜数据实景三维建模

基于Smart3D的无人机倾斜数据实景三维建模

郭娇

西安市勘察测绘院 陕西西安 710054

摘要：以某测区实景三维建模为例，阐述了无人机倾斜摄影与实景三维模型数据生产的基本原理。利用cw10固定翼无人机搭载DG3倾斜相机的方式采集影像数据，选用Smart3D软件作为数据处理平台，构建该区域实景三维模型。

关键词：无人机 倾斜摄影 实景三维 建模

引言

随着经济社会发展对测绘地理信息的需求日益旺盛，传统技术测绘成果更新周期长、人员成本费用高、产品样式固定等短板凸显。推进基础测绘转型升级，已成为自然资源领域改革创新发展的必然要求和战略抉择。2022年2月，自然资源部引发《自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知》明确指出，到2025年，50%以上的政府决策、生产调度和生活规划课通过线上实景三维空间完成，到2035年这一目标提升至80%。《通知》建设范围覆盖全国。建设实景三维，不仅能够真实反映自然资源“家底”，还为智慧城市、文博保护、自然资源、不动产、地下空间的权属界定、确认、登记提供了更精细的表达手法。由此可见，实景三维建设显得尤为重要和迫切。

传统城市三维建模工作存在周期长、效率低等问题，已无法满足数字城市、智慧城市的发展需求[1]。近年来，无人机结合摄影测量与传统人工测绘相比，具有操作方便、作业灵活、地域限制小、精度高、效率高、成本较低以及获取数据全面等优势。利用无人机倾斜摄影测绘技术，可以实现城市化建设中的实景三维建模，特别适用于当下智慧城市建设中。本文总结了基于Smart3D的无人机倾斜数据实景三维建模技术方法流程，并对相关技术要点进行了探讨。

1.无人机倾斜摄影

1.1 基本原理

倾斜摄影测量三维建模以静态物体为对象，通过传感器获取倾斜影像为数据源，集成倾斜影像与下视影像数据进行平差计算，经过严密的空中三角测量计算得到密集点云数据，最后输出带有真实纹理的高分辨率三维网格模型，继而可弥补单一视角数据遮挡、纹理不丰富、多余观测不足等局限。

1.2 技术流程

本文采用瞰景Smart3D实景三维建模软件，能够无须人工干预地利用连续多角度影像，生成超高密度点云，并在此基础上生成高分辨率的具有真实影像纹理的三维场景。基于该软件构建实景三维模型的基本流程如下图。

图1  技术线路图

2. 测区实景三维模型生产
   1. 外业获取数据
      1. 控制点布设与采集

该测区位于城区，约4km2。按照“角点布设，中间加密，均匀布设”的原则，共布设24个控制点及10个检查点，控制点布设间隔约600米，同时选用白色喷漆于硬化沥青地面，红色喷漆于水泥路面。要注意喷漆均匀，色泽饱满，和喷漆背景形成反差，方便刺点。

2.1.2航摄飞行

CW10电动小型无人机机身长度1.6米，翼展2.6米，最大起飞重量12kg，最大任务载荷2kg，续航能力90分钟，巡航速度72km/h，抗风等级6级，起飞海拔3500米，实用升限4000米。

DG3相机倾斜相机小巧轻便，焦距合理、兼容性高。相机图像最高分辨率6000*4000，相机传感器尺寸23.5mm*15.6mm，正射镜头焦距28mm，倾斜镜头43mm。

本文利用CWcommand对测区进行航线规划。实际作业时，利用CW10无人机搭载DG3倾斜相机，根据项目要求，按照3cm分辨率设计航线，以满足作业精度。选择光线条件好的时间窗口进行飞行作业，避免了由于环境因素造成航摄质量不佳等情况。本次航飞共计2个架次，累计飞行时间45分钟，地形高差60米，航向重叠度78%，旁向重叠度70%，相对飞行高度214米。

2.2内业生产

2.2.1pos解算及数据整理

利用Jopps完成pos数据的解算，并按照瞰景Smart3D实景三维软件对数据要求，进行数据整理，保证pos和照片名能够一一对应。本次航飞共拍摄了20800张照片，每个镜头包含4160张照片，Pos解算信息数量为20800条，未出现丢失像片及POS信息的情况，数据质量高。

2.2.2空中三角测量运算

利用Smart3d系统中空三计算自动完成功能，采用光束法区域网整体平差方法进行。第一次空三结束后，查看是否丢片，丢的是否合理；连接点是否正确，是否存在分层、断层、错位；检查点误差、像控点残差、连接点误差是否在限差以内。经检查，本次作业不存在上述问题。导入控制点，刺控制点。内业刺点，即在多视角、多幅像片上精确标记出同名控制点的位置。后续通过空中三角测量解算，将整体坐标纠正至本地坐标系或其它平面坐标系。刺点原则可概括为：虚实结合像素点、不刺过曝像片、不刺像片边缘，尽量多镜头像片皆刺点。刺点结束后，再次提交空三任务，获得控制点精度报告。

2.2.3 三维模型重建

第二遍空三满足要求后，提交三维建模，生成osgb格式的mesh模型。实景三维模型当做一种新的基础地理数据来进行精度评定[2]，包括位置精度、几何精度和纹理精度3个方面。

（1）位置精度

三维模型的位置精度评定跟空三的物方精度评定有类似之处，通过比对加密点和检查点的精度进行衡量。在控制点周边比较平坦的区域，精度比对容易进行;在房角、墙线、陡坎等几何特征变化大的地方，模型上的采点误差比较大，精度衡量可靠性降低，可以联合影像作业，得到最终的成果矢量或模型数据再进行比对。

（2）几何精度

传统手工建模可以自由设计地物的几何形状，而真三维自动化建模，影像重叠度越大的地方地物要素信息越全，三维模型的几何特征就越完整。反之，影像重叠度不够可能出现破面、漏面、漏缝、悬空、楼底和房檐拉花等情况，影响地物几何信息的完整表达。这种属于原理性问题，无法完全避免，可以按照下面的方法进行评定。在三维模型浏览软件中参照航拍角度固定浏览视角，同时拉伸到与实际分辨率相符的高度去查看模型，看不出明显的变形、拉花即可判定为合格，反之为不合格。

（3）纹理精度

三维建模完全依靠计算机来自动匹配地物的纹理信息，由于原始影像质量不同，导致匹配结果可能存在色彩不一致、明暗度不一致、纹理不清晰等情况。要提高纹理精度就必须提高参加匹配的影像质量，剔除存在云雾遮挡覆盖、镜头反光、地物阴影、大面积相似纹理、分辨率变化异常等问题像片，提高匹配计算的准确度。

经过验证，该测区位置、几何、纹理均达到精度要求。利用外业实测的10个检测点，三维模型的平面中误差为4cm，高程中误差为2cm，完全满足精度要求。

3.3技术要点

（1）无人机倾斜摄影及三维建模对像片质量要求较高，像片质量越高，建模效果越好。

（2）利用准确的相机检校文件改正照片的畸变差极其重要，直接影响后续处理能否顺利完成。

（3）原始影像输入曝光点空间位置数据，能够极大地增加连接点匹配的时间。

4 结束语

本文以cw10无人机搭载DG3倾斜相机为数据获取平台，结合瞰景Smart3D软件完成城市实景三维建模任务。无人机搭载倾斜相机是实现实景三维建设的重要技术方式，定在新型基础测绘建设中发挥重要作用。

参考文献

[1]王耀. 基于无人机倾斜摄影技术的城市三维实景建模研究[J]. 长春师范大学学报,2023,42(2):103-107.

[2] 许敏. 基于无人机倾斜摄影测量三维建模及精度评价的探讨[J]. 江西建材,2021(10):103-104.