昆明冶金高等专科学校 云南昆明 650033
摘要：近年来，由于无人机技术的不断发展和使用无人机影像进行三维建模技术迅速发展，使用无人机获取的影像来进行的快速三维建模已经逐渐应用到了测绘领域当中。本文首先对国内外无人机测量技术的发展和数据软件的情况进行了介绍，之后提出了运用大疆PHANTOM3无人机进行野外数据才和使用由Esri推出的以ArcGIS平台为支撑Drone2Map for ArcGIS来进行快速三维建模的技术路线和实施方案，通过建模结果来分析了无人机三维建模的优势以及存在的问题。
关键字：无人机；摄影测量；三维建模
Three Dimensional True Modeling Base on unmanned aerial vehicle（uav）Technology
LI Dongsheng
Kunming Metallurgy college
Abstract：Recently，due to the continuous development of unmanned aerial vehicle（uav）technology used to rapid 3D modeling，the technology has been gradually applied to surveying and mapping field.First of all，this paper introduces the development of unmanned aerial vehicle（uav）measurement technology in domestic and abroad.Then it proposes rapid 3D modeling technical route and implementation plan through Drone2Map for ArcGIS software by Esri's ArcGIS platform and field data obtained by Dajiang PHANTOM3 unmanned aerial vehicle（uav）.Through modeling results，it analyzes the advantages and existing unmanned aerial vehicle（uav）3D modeling problems.
Keywords：Unmanned aerial vehicle（uav）；Photogrammetry；3 d modeling
0、引言
传统的地形测绘、地理信息获取工作主要采用人工作业模式，测绘人跋山涉水、常年野外的辛勤劳作，这样的外业采集方式劳动强度大、工序复杂、耗工费时、成本高。但随着科技发展，测绘行业对于地理信息数据的精确性、时效性要求变得越来越高，人工成本和时间成本为行业带来巨大的压力和负担，因此，测绘行业需要能够快速、高效、准确的获取地理信息和数据的解决方案。无人机技术的诞生，使得传统测绘作业方式发生颠覆了，该技术通过无人机低空飞行，使得镜头摄影获取高清晰立体影像数据，通过软件生成三维地理信息模型，能够快速实现地理信息的获取，具有效率高、成本低、数据精确、全面的侧面信息可用等特点，满足测绘行业的不同需求。极大的解放了测绘人的劳动时间和减少外业劳动强度。
1、无人机摄影测量发展现状
在国外，无人机一般会加载高精度POS和IMU，相机方面包括以色列VisionMap公司的A3系统，徕卡公司的RCD30和微软公司的UCO等使得后期数据处理自动化程度高，但购买费用较高。在国内，早期无人机进行摄影测量技术固定翼无人机搭载非专业航测相机进行，例如利用佳能5D等进行航拍。在自动化建模软件方面，国外包括AirBus公司的“街景工厂”，Bentley公司的Smart3DCapture，法国像素工厂的Pixel Factory等；国内较为成熟的软件有Pixel Grid、DP Grid等系统以及武汉航天远景科技有限公司的DAT Matrix等。
2、技术路线及实施方案
本文采用国产无人机大疆精灵3高级版（phantom3 advanced），以某一建筑物为建模对象，通过低空环岛飞行发生，采集该建筑物的顶部和侧面数据影像完成外业数据采集。通过使用由Esri推出的以ArcGIS平台为支撑Drone2Map for ArcGIS自动、快速为一体无人机数据处理平台，将大疆精灵3无人机采集的数据进行后期的处理完成三维建模。
2.1 外业数据采集
本文以昆明冶金高等专科学校校园某建筑物为例，采用倾斜摄影测量方式对目标环绕飞行一周进行拍照。飞行的无人机采用大疆PHANTOM3如图1；该飞机重量（含电池及桨）1280 g，最大上升速度5 m/s，最大下降速度 3 m/s，最大水平飞行速度 57.6 km/h，最大飞行海拔高度6000 m，最大飞行时间约23分钟，无人机配备GPS/GLONASS双卫星定位模块；无人机上配备云台，具有稳定的3-轴系统（俯仰，横滚，偏航），云台可控转动范围为俯仰：-90°至+30，最大控制转速 俯仰：90°/s，角度控制精度±0.02°。通过云台参数可以看出由于无人机云台的灵活行，可以使搭载在无人机上的相机进行各个方向的转动进行数据的采集，这样在一定程度上弥补了无人机上只搭载一个镜头无法像国外摄影测量系统同时采集五个方向上的影像数据的缺陷。相机有效像素1240万（总像素1276万），电子快门速度8 - 1/8000 s，照片尺寸4000×3000，支持、单张拍摄、多张连拍、定时拍摄等模式。速度测量范围飞行速度≤8 m/s，高度测量范围30 - 300 cm，精确悬停范围 50 - 300 cm，通过相机参数可以看出，由于相机的有效像素和拍摄方式以及测量速度、高度范围可以保证无人机在飞行过程中采集的相邻两张相片之间具有较高的重叠度，保证后期内业软件处理可以正常进行。
图1 无人机
Fig1.Unmanned aerial vehicle
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2.2内业数据处理
由于无人机影像分辨率高、像幅小、数量处理量大、POS信息不准确等问题，用户无人机的生产、管理以及处理中都面临着很多问题。所以本文采用了一款由Esri推出的集自动、快速为一体无人机数据处理平台Drone2Map for ArcGIS进行内业数据处理。该软件以ArcGIS平台为支撑，支持与Pix4D之间的转换，为用户提供从无人机原始数据到二维镶嵌正射图、DSM和三维模型生产的全过程。其生成的正射影像，进行了自动镶嵌及匀色，将测区内所有数据拼接为一个大的影像，纠正了所有视角的扭曲，具有地理参考。在处理软件系统进行数据处理之前首先进行人工方式通过数据资料分析和预处理，排除资料先天缺陷，确保用于建模的数据和资料完整、格式正确。软件处理总体技术路线如下：
图2 软件处理总体技术路线
Fig 2 software processing technical route
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在上述软件处理技术路线中，通过将外业采集的影像数据，添加到工程文件中可以看到整个飞机飞行航线的具体情况，测量者可以再一次比较是否和原来野外采集数据时飞行线路一致，然后再决定是否继续后面的步骤，其影像输入信息和航线图如图3所示；从图3影像文件信息中可以看出，由于大疆PHANTOM3无人机配备GPS/GLONASS双卫星定位模块，所以传入到新建3D工程文件中每张影像均带有经度、纬度和高程坐标。本次飞行选用环岛模式近景采集一周建筑物模型，远景有采集一周建筑物模型，航线如图3外业航线信息所示。
图3
Fig 3
A 影像文件信息 A images file information B 外业航线信息 B Field route information
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通过使用大疆精灵3无人机进行野外数据采集，使用Drone2Map for ArcGIS软件进行内业数据处理，完成整个处理技术路线其建模结果如图4.
图4 建模结果 Fig 4 modeling results
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4 结论
1、使用无人机技术进行野外影像数据的采集方式，通过无人机不仅获取采集影像的时的影像坐标并且获得了相应地物的纹理信息，通过采用后处理建模软件进行建模和批量提取贴图纹理，大大提高建模效率，而且模型具有精确的位置信息，能快速、低成本的构建出逼真的三维模型；从而使得倾斜摄影技术得到蓬勃发展，并具备广泛的应用前景。
2、模型效果仍需提高。虽然无人机三维实景建模技术方案在效率和整体的效果上有着明显的优势。但是其也有不足的地方。由于使用无人机摄影，在影像的获取过程中或多或少都会有一定的死角或障碍无得遮挡使得数据的关联点不足，在这种情况下必然会造成在模型匹配时候发生模型在某些地方的扭曲变形。
3、由于无人机采集影像数据是从空中进行俯视获倾斜云台进行拍摄的，地面区域存在遮挡，无法完全生成准确的点云数据，例如地表有树木等覆盖物时，拍摄的影像无法准确拍到地面情况，使得地面某些低处构建的模型结果不佳，影响到整个地形的精度。
4、对于部分地物光线等原因，由于反光较强，例如水面和玻璃等，使得建模结果表面没有或缺少纹理的特征，另外，在模型匹配时，由于地物的匹配截面太小，以至于找不到特征点，从而使模型产生漏洞，例如树、电杆等，由于截面较小，无法产生足够的特征匹配点，使得该模型中存在漏洞的情况。
5、由于使用空中三角加密的形式，加密点云数据构建出模型数字地表模型DSM，其与人工建模所构建的模型有很大不同之处，人工建模基本可以控制所建模型的表面数量，但无人机建模是计算机空中三角加密点处理会建模，其构见三角网面数据量巨大，这给后期的编辑后续的数据管理带来一定难度。
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作者简介：李东升（1986－），性别：男，民族：白，籍贯：云南鹤庆，职称：讲师，学位：硕士，主要从事测绘地理信息工作。E－mail：576268506@qq.com。云南省教育厅科学研究基金资助性项目（2017ZZX166）资助