小型无人机单镜头倾斜实景三维建模

王少军

云南省测绘工程院

摘 要: 小型无人机针对小范围、低成本的实景三维建模，五镜头或多镜头倾斜摄影系统因成本、载重等问题成为项目的局限因素。本文采用大疆四旋翼小型无人机(大疆精灵4RTK)搭载单镜头相机，选用大疆精灵4RTK带屏遥控器内置GS RTK App设置飞行航摄控制参数，基于PIX4D、SMART3D构建云南省工人疗养院附近某试验区实景三维模型。通过单点精度检验，符合大比例尺航空摄影测量内业规范要求。在大比例尺地形图、模型展示等项目具有低成本、高效率、高精度优势。

关键词: 小型无人机；单镜头；倾斜摄影；三维建模

1 引 言

随着智慧城市的发展，真实可靠高效率的可视化信息对我们越来越重，利用无人机的优势以及倾斜摄影技术，可以快速准确的对一片区进行实景建模，成为GIS（地理信息系统）中重要的一环，也是BIM（建筑信息管理）中重要的角色。通过在同一飞行平台上搭载多角度相机（或者单相机飞不同航线），同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，由这些倾斜影像即可生成三维模型。

目前市场上主流的倾斜摄影方案多以五镜头或者多镜头方案为主，相机单元价格比较昂贵，多镜头相机要求多旋翼无人机具有超高稳定性和续航能力。相比之下，单相机倾斜摄影方案成本更低，在小范围三维建模项目中具有更大的优势。

2 实验项目地理概况

试验区位于云南省工人疗养院附近，海拔1900左右，试验区内主要为疗养院主体建筑及相间绿化带和农用地，面积约为0.4km²。

3 三维实景建模

a 单镜头倾斜摄影系统

单镜头倾斜摄影系统采取“井”字形的航飞作业办法，镜头朝向一个角度，采取密集航线，“井”字交叉飞行采集数据。该系统能快速、有效地获取地物的影像及纹理特征，借助数据处理软件，快速实现三维建模。本次试验采用大疆精灵 PHANTOM 4 RTK小型多旋翼高精度航测无人机，具体系统参数如下：系统固定翼无人机重量为1391 g，轴距为350 mm，最大上升速度为6 m/s（自动飞行），最大水平飞行速度为50 km/h（定位模式），抗风速 10 m/s，最大飞行时间约30 min，云台角度抖动量±0. 02°，系统采用相机型号:FC6310R，传感器尺寸为13.2mm*8.8mm，像幅尺寸为5472*3648，像元大小为2.41微米，13.2mm/5472=2.41228微米，相机焦距为8.8mm，镜头为f /2. 8－f /11 带自动对焦，影像传感器有效像素为2000 万。

本次航飞航向重叠80%，旁向重叠75%，飞行高度120 m，地面分辨率 3 cm左右。

b 无人机专业航线规划软件（GS RTK App）

带屏遥控器内置全新 GS RTK App，帮助用户智能控制精灵 Phantom 4 RTK 采集数据。GS RTK App 提供航点飞行、航带飞行、摄影测量 2D、摄影测量 3D、仿地飞行、大区分割等多种航线规划模式，同时支持 KML/KMZ 文件导入，适用于不同的航测应用场景。 带屏遥控器集成 5.5 英寸 1080p 高亮显示屏，强光环境下作业仍可清晰显示。无人机GS RTK App航线规划界面如图 1 所示

图1 无人机GS RTK App航线规划界面

c 技术路线

单镜头多视角倾斜摄影航线可采取“井”字形的航飞作业方式，得益于智能航线规划软件，生产作业中只需对地面分辨率、重叠度、航高等关键参数进行设置，即可实现航线规划。通过自动空三匹配可以得到高精度和高密度的点云数据，是实现精细三维建模的关键流程。三维建模步骤如下：航线规划>航飞倾斜摄影>软件自动空三匹配（包括像控点转刺）>纹理映射>导出实景三维模型（包括模型修改）>精度检验>模型应用。

d 三维建模结果

将原始数据导入PIX4D软件，自动匹配连接点。野外像控点转刺后，经过三角网构面，纹理映射，模型修补，生成实景三维模型。图 2 ～ 图 5 为软件中三维模型截图。图 6 模型细节完整，未见扭曲拉花粘连情况，建筑外墙面平整，楼名字体清晰。

图2 初始化处理. 图3 点云及纹理

图4 三维模型

图5 模型细节 

4 精度检验

针对模型成果精度检验，选取多个分布均匀的检查点，野外实地坐标与模型坐标进行检验，检验结果各地物特征点均满足大比例尺航测成图要求，模型精度较好。

5 结 语

在大部分实际项目中，地形地貌复杂，植被多样覆盖率高，增加了无人机航空摄影测量工作的难度。与传统五镜头或多镜头航空倾斜摄影相比，小型无人机携带单镜头倾斜摄影方案成本较低，小范围地形三维建模测量项目中更容易操作实施。本文以小范围项目试验数据表明无人机携带单镜头倾斜摄影方案确实可行，在小项目、造价低、工期紧、精度要求高的实景三维建模项目中具有较好的实际应用意义和效果。

参考文献：

[1]大疆无人机官方网站中精灵4RTK相关参数。

[2]PIX4D、SMART3D、EPS相关技术指引。