化学工业岩土工程有限公司 211800
摘要：改革后，受社会发展的影响，我国科技水平快速提升。无人机低空倾斜摄影技术经过多年的研究，已广泛应用于智慧城市和城市规划等领域，帮助各行各业的管理者迅速地做出有效决策，而如何实现地物快速、有效的三维建模成为其关键问题。以某大学图书馆为例，对其进行三维建模，探讨影响无人机影像三维建模精度的关键因素。首先，利用无人机倾斜摄影技术，多源多方位地获取研究区的航片影像；其次，利用PIX4D软件生成点云数据并映射到相应地物进行三维建模；最后，通过对比不同方案下多源数据的三维建模效果分析影响三维建模的关键因素。结果表明，在一定范围内航拍图片的比例越大，点云数据的匹配值越多，航拍高度越低，提供的旁向重叠和航向重叠的航拍影像越多，生成的建筑物的三维建模精度越高。
关键词：无人机；PIX4D软件；三维建模；点云数据
引言
随着无人机技术的发展以及三维建模软件的逐步成熟，将无人机倾斜航空摄影拍摄的相片交由三维建模软件处理，可基本实现全自动生成三维实景模型，为三维信息化发展提供了一种高效率的数据采集模式。为记录石首经济开发区的土地利用现状，实现足不出户观看实景，方便开展招商引资工作，受湖北石首经济开发区管理委员会的委托，对约50km2的园区范围开展了基于无人机低空倾斜摄影测量的三维实景建模，通过项目的实施对无人机倾斜航空摄影以及三维实景建模的工作流程进行了实践与探索。
1三维建模
倾斜摄影三维建模数据处理量巨大，常规计算机不能满足三维建模需求，需要配置强大的图形工作站。在软件方面，常用的建模软件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、PhotoScan等。最近，大疆创新公司开发了应用于计算机上的大疆智图，作为专业的无人机航测软件，大疆智图能推动无人机三维建模向智能化和大众化方向发展，实现“数据获取、处理、应用、任务执行”一体化的航测作业方式，提高无人机三维建模的效率。
2不同影像数量的影像建模对比
不同影像数量的数据信息，数据二是由从数据一中舍弃了56张旁向重叠和航向重叠的影像得到的。图1是利用数据一和数据二建成的三维模型（左图为利用数据一生成的模型图，右图为数据二生成的模型图）。可以明显地观察到数据一产生的三维模型更加光滑清晰，建筑物的局部细节更加突出，纹理信息更加丰富。而数据二产生的三维模型表面模糊，细节信息缺失较多，局部变形严重。并且从数据一和数据二生成的空中三角测量视图（如图2所示）可以看出，数据二生成的空中三角测量视图信息缺失严重，空中三角测量的连接点并没有均匀分布在影像的重叠区域。产生这些差异的原因是数据二的重叠影像不完整，在拍摄区域和航线均相同的情况下，如果旁向重叠的航片影像数量完整，对同一地面影像的重叠部分越大，并且靠近航线的影像覆盖度也越大，即旁向重叠度也越大，那么生成的建模精度越高，信息越丰富。因为增加重叠度可以降低相邻影像间的不确定性，使得同名点的匹配更加精准。重叠度越高，匹配的同名点越多，提高相对定向的精度，也能提高建成的模型质量。
.png)
图 1不同影像数量得到的模型
.png)
图2不同影像数量得到的空中三角测量视图
3无人机影像三维建模的建议
3.1空中三角测量
空中三角测量是无人机影像内业处理的关键部分，其目的是通过影像匹配提取的连接点以及部分地面控制点，将全部区域纳入到已知的控制点地面坐标系中去，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标。空三加密结果的好坏直接影响到后期三维模型的精度，在ContextCapture系统中，空三加密为全自动解算过程，若解算出错，可返回查看影像POS数据、影像名称与POS数据是否对应，再次进行空三加密。本次实验一共进行两次空三加密，第一次为导入影像数据和POS数据后进行空三加密，第二次在第一次空三加密的基础上，加入像控点信息进行第二次空三加密。采取这样的空三加密方式能够对其精度进行优化。空三加密完成之后，成果可以在3DView中进行可视化的显示，如图3所示。
.png)
图3空三加密点匹配效果
3.2无人机三维建模技术在近年来发生的多起自然灾害
事故的灾后救援工作中发挥了重要作用，为抢险救援和指挥决策提供有力保障。2014年8月3日，云南鲁甸发生6.5级地震，地震共造成617人死亡，112人失踪，3000余人受伤。灾情就是命令，抗震救灾指挥部通过三维实景图，实现了对震区各个方位的观测，为制定救援方案以及防止次生灾害的发生提供了极大便利。2015年8月12日新区爆炸震惊全国，在大规模的危险化学品爆炸区域，无人机除了充当“探路者”进行侦察，还对事故现场进行了倾斜摄影，针对事故现场快速生成效果逼真的三维模型，为后续灾后现场还原以及后续救援指挥起到了重要的作用。2015年12月泥石流滑坡事件中，国家测绘地理信息局第一时间作出了实景三维立体模型，直观了解房屋道路受灾情况，为科学救援起到重大作用。2018年10月11日发生在江达县波罗乡境内的山体滑坡，滑坡体量大，造成断流并形成堰塞湖，危及附近的村庄安全，通往灾区的必经桥梁和部分农田被江水淹没，情况万分危急，通过对塞湖进行三维建模，对研判灾情、成功泄流和抢险救援起到了重要作用。由此可见，无人机三维建模在重特大灾害事故的救援工作中的技术优势是巨大的，为领导和专家研判灾情、制定救援方案提供了科学的地理信息数据支持，极大地促进了消防救援队伍无人机三维建模的快速发展。
结语
结合倾斜摄影技术采集高清影像，并用PIX4D软件快速建立了三维模型。其次通过对比分析不同的研究方案得出最终建模结果，最终建模结果纹理信息丰富，局部变形少，精度较高。最后发现了影响该建模方法的几种关键影响因素，即图像的比例、最低匹配值、航片数量和航拍高度，并且得出了在一定范围内航拍图片的比例，最小匹配值，航拍影像的数量与生成的建筑物三维模型精度成正比，航拍高度与生成的建筑物三维模型精度成反比的规律。结合无人机倾斜摄影技术对建筑物进行三维建模是未来3D建模的发展方向，结合PIX4D软件进行三维建模，不仅满足了精度上的要求，而且在生产成本、生产效率上都比其他建模方式和市场上其他软件有明显优势。随着技术的不断进步，这项技术必将越来越广泛地应用于城市规划、国土调查、智慧城市建设、地理国情监测等领域，具有现实意义。
参考文献：
[1]戴竹红，李柳兴，邹发东.基于Smart3D的实景三维建模与应用[J].广西城镇建设，2015（4）：113-115.
[2]曲林，冯洋，支玲美，等.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J].测绘与空间地理信息，2015（3）：38-39.
[3]任诚，高利敏，冯耀楼，等．基于无人机倾斜摄影的建筑物三维建模尝试［J］．测绘通报，2019（2）：161－164．
[4]曲林，冯洋，支玲美，等．基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究［J］．测绘与空间地理信息，2015，38（3）：38－39．
[5]冯茂平，杨正银，张秦罡．基于小型多镜头航摄仪的无人机倾斜摄影技术在实景三维建模中的应用［J］．测绘通报，2017（S1）：5－7．