基于无人机的校园建筑三维重建技术研究

李一民

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

倾斜摄影测量是国际测绘遥感领域的一项新兴高新技术，融合了传统的航空摄影、近景摄影测量、计算机视觉技术，打破了传统航空摄影测量只能从垂直角度拍摄正射影像获取空间坐标和顶面信息的局限，可以从多角度获取地面物体影像以及精细侧面纹理信息[1]。随着无人机航测技术的日益成熟，计算机及其相关技术的迅速发展，基于无人机的倾斜摄影测量三维重建技术正在朝低成本、高精度、高效率的方向发展[2]。

1 倾斜摄影测量三维重建技术原理

倾斜摄影测量三维重建技术的工作原理是通过在无人机飞行平台上搭载倾斜相机，同时从垂直、前视、后视、左视、右视五个不同角度获取高分辨率影像的摄影测量技术。拍摄影像的同时GPS 模块和惯性导航系统（IMU）会记录影像拍摄点的位置信息和姿态参数，从而获得地面物体更为完整准确的信息，再通过高效自动化倾斜摄影三维建模软件Contextcapture 分析处理采集的影像数据，快速构建具有准确地理位置信息的实景三维模型[3]。

2 倾斜摄影测量三维重建技术路线

2.1 外业技术路线

图1 外业技术路线

2.2 内业技术路线

具体如图2 所示。

图2 内业技术路线

3 校园建筑三维重建项目实施

3.1 项目概况

3.1.1 项目内容

本项目选取了南京财经大学“帆船”体育馆作为研究对象，使用大疆精灵4A 无人机以及大疆Air2s 无人机分别对目标建筑从上方和四个侧面进行航飞倾斜摄影，对拍摄所得的影像质量进行检查，再用Contextcapture、Pix4D、大疆智图等建模软件对拍摄所得的影像数据进行加工处理生成三维重建模型产品。

3.1.2 项目成员

本项目小组成员共5 人，其中记录员1 人负责记录无人机倾斜摄影日志，测量员1 人负责测量建筑实际高度，飞手1 人负责无人机的操控以及倾斜影像采集工作，安全员2 人负责无人机设备及相机的飞行前检查以及无人机飞行过程中安全保障工作。

3.2 航测外业设计

3.2.1 测区概况

南京财经大学“帆船”体育馆，位于仙林校区西侧，总建筑面积17598m2,建筑用地面积10968m2，建筑顶部呈波浪形，分为地上和地下两层，周围无较多无线电设备、电线杆及树木，有利于项目的顺利进行，测区概貌如图3 所示。

图3 测区概貌

3.2.2 航线规划设计

外业航线设计是制作高质量三维重建模型的关键航线，需要根据测区的地形地貌来进行设计，必须为内业正射影像的制作提供高重叠率。本项目主体研究对象为南京财经大学西苑“帆船”体育馆，体育馆面积较大，结构较为复杂。为了获取更多建筑影像细节，航线设计在普通S 型航线航飞倾斜摄影的基础上，融入了贴近摄影测量、网带式航线倾斜摄影、全方位航线倾斜摄影[4]。

3.2.3 飞行前检查

1.设备检查：无人机开始作业前做好所有设备检测，如：SD 卡是否能正常使用，云台相机是否粘灰，云台是否能正常变换角度等。

2.导航系统：全部航摄飞行流程都需要影像点的GPS 信息，获取正射影像时需要采用GPS 系统导航自动采集影像。飞行中经常检查GPS 导航仪的工作状况，防止因为建筑遮挡、磁场干扰等造成GPS 失效。

3.航高：按照设计航高飞行，同一航线相邻相片的航高差不得大于20m，实际航高与设计航高之差小于设计航高的5%。

3.2.4 航拍影像质量控制

1.影像的曝光不足、影像的重影、散焦和噪点，将严重影响三维建模产品的质量，在外出作业时提前看好天气预报，在多云天气拍摄比晴天拍摄效果更好。本项目影像采集时间安排在下午一点至四点，确保影像阴影区域变化最小化。

2.拍摄前调整并使用最合适的快门、光圈、ISO 值。在整个项目中始终使用相同的焦距，保持光照基本恒定，阴影区域变化最小化，避免拍摄模糊照片、使用闪光灯、光学防抖，对拍摄好的照片不要进行任何的编辑。

3.2.5 航测影像获取

为了获取更多“帆船”体育馆影像细节，提高后期内业模型精度，本项目的航线设计在普通S 型航线航飞倾斜摄影的基础上，融入了贴近摄影、网带式航线倾斜摄影、全方位航线倾斜摄影。本项目对“帆船”体育馆共采集航测影像1511 张，删除模糊影像20 张。在距离“帆船”体育馆最高点10m 处，通过普通S 型航线、网带式航线倾斜摄影获取“帆船”体育馆的正射影像220 张，倾斜影像220 张，在“帆船”体育馆四周采用贴近摄影、全方位航线倾斜摄影的方式捕捉更多建筑细节，获取影像1051 张。

3.3 航测内业生产

3.3.1 ContextCapture 工程创建

打开Context-Capture 软件，在选择的主页面上点击新工程，新建一个工程，编辑工程名称（工程名称不能为中文），再选择工程文件位置，点击确认即可完成过程创建。

3.3.2 倾斜摄影影像导入

在新建一个工程以后，Context-Capture 软件会自动产生一个空白区块Block1，点击影像板块，添加影像，选择倾斜摄影影像所在的文件夹导入全部影像即可。由于大疆无人机所拍摄的倾斜摄影影像都是自带POS信息，因此导入影像后也可以直接获取影像的POS 信息，无需再次导入影像POS 文件。

3.3.3 空中三角测量

导入数据后确认无误以后，在概要板块中右侧点击提交空中三角测量，如果提交一次空中三角测量之后，影像太多不能用于三维重建，可以再提交一次空中三角测量。提交完成之后，软件将自动进行提取特征点、多视影像区域网联合平差、多视影像密集匹配、点云构建等流程，空中三角测量完成之后，得到测区的点云数据[5]。

3.3.4 三维重建模型生产

在构建模型的过程中，软件会自动生成高密度的点云数据。利用这些点云数据可以构建不同层次的不规则三角网，同时还得到了带有白模的三维模型[6]。因为每张影像都具有精确的位置信息，软件可以依据这些信息计算出每个三角网所对应的影像中的位置，然后将纹理信息与三维 TIN 模型进行配准，最后进行纹理影像反投影实现纹理贴附，最终完成“帆船”体育馆三维重建模型的构建。测区局部区域的三维城市景观模型成果如图4 所示。

图4 测区三维重建实景模型

4 精度评定

本项目选取了多个检查点与实际测量数据对比检查取均值求得本次空三精度平面最大误差0.03m，高程最大误差0.04m，均在规定的限差内，所以三维重建模型的精度是可以满足1：500 地形图精度要求的。

5 结语

传统的地理信息获取工作一般是通过人工测量的方式进行，具有工作成本高、精度低、效率低等问题。随着现代科技的不断发展，无人机倾斜摄影测量以其低成本、高精度、高效率的优势可以在校园规划中获得一席之地。