第35卷第6期2020年12月
遥感信息
RemoteSensingInformation
Vol.35,No.6
娄宁】，马健2，杨永崇3，张全文4
（西安科技大学测绘科学与技术学院，西安710054）
摘要：针对单体建筑物真三维精细化建模问题，提出以单镜头多旋翼无人机为载体，研究其应用于单体建筑物影像数据采集的三维环绕式航线规划技术。根据单体建筑物的自身条件、影像采集需求和单镜头多旋翼无人机的特点，规划设计了倾斜加正射的立体环绕式航线；利用C#编程语言实现了一套自动化的三维环绕航线计算系统；最后通过该方案快速高效完整地对某单体建筑物进行高分辨率影像数据采集，并采用Smart3D Capture进行数据处理生成实景三维模型。实验结果表明，利用该三维环绕式航线技术所建单体精细化实景三维建模具有完整性好、纹理真实、几何精度可靠的特性。该方法有效提升了单镜头多旋翼无人机倾斜摄影对单体建筑物精细化建模高分辨率影像数据采集的完整性、质量和效率。 关键词：倾斜摄影；无人机（UAV）；航线规划；单体建筑；三维建模
doi：10.3969/j.issn.1000-3177.2020.06.007纳米微粒
中图分类号:P231文献标志码:A文章编号：1000-3177（2020）06-0044-05
Monolithic3D Modeling Technology for Tilting Photography
LOU Ning1,MA Jian2,YANG Yongchong3,ZHANG Quanwen4
{College of Geomatics,X,an University of Science and Technology,X,an710054,China) Abstract：Aimingattheproblem oftruethree-dimensionalfine modelingofasinglebuilding，thispaperproposesasingle-lens multi-rotor drone as a carrier,and studies its three-dimensional wraparound route planning technology for single-building image data acquisition.A stereoscopic orbital route with tilt and orthography is planned and designed accorded to the individual conditions of the individual building,the needs of image acquisition,and the characteristics of the single-lens multi-rotor drone.It realizes an automated threedimensional orbiting route calculation system byC井programming language.High-resolution image data acquisition of a single building by this solution is quick and efficient.It also uses Smart3D Capture for data processing to generate real-life3D models.
The resultsshowthatthefine-grainedreal-world3D modelingusingthe3D wraparoundroutetechnologyhasthecharacteristicsofgood integrity，realtexture，andreliablegeometricaccuracy This methode f ectivelyimprovestheintegrity，quality，ande f iciencyofhigh-resolution image data collection for refined modeling of individual buildings.
Key words：oblique photography；unmanned aerial vehicle(UAV)；route planning；single building；3D modeling
o引言
无人机倾斜摄影测量技术的迅速发展大大推动了实景三维建模技术的进步［13］，这些实景三维模型数据作为单体建筑物仿真、保护、研究的基础数据与依据，具有巨大的市场价值与应用前景46。由于它们本身复杂的外形结构和丰富的纹理类型，导致单体建筑物精细化实景三维建模的难度较高［7］，快速、高效、完整地收集建筑物高分辨率影像数据是实景三维建模的关键问题。在实际生产中对单体建筑物主要有以下3种三维建模方法。第1种是传统的三维模型生产制作方法，利用3DS MAX、AutoCAD 等软件手工绘制建筑物的三维模型，该方法效率较低、模拟纹理的真实度不高［］；第2种是利用三维激光扫描仪（LiDAR）获取地物三维点云数据，运用纹理映射等方法快速建立三维模型⑼，但该方法对建
收稿日期：2020-02-07修订日期：2020-03-17
作者简介：娄宁（978—），女，硕士，副教授，主要研究方向为地理信息系统的应用和建模。E-mail：290272930@qq
通信作者：马健（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为倾斜摄影测量。
E-mail：1044289708@qq
44
引用格式：娄宁，马健，杨永崇，等.倾斜摄影的单体精细化三维建模技术[J].遥感信息，2020,35(6)：44-48
筑物顶部或某些侧面部位数据获取难度较大；第
3种是无人机低空摄影测量通过搭载成像与非成像
传感器，利用航带网式航线或简单的环绕飞行航线
采集地物信息，建立实景三维模型[1012]，但该方法
并没有依据建筑物实际情况计算飞行航线关键参
数，设置针对不同建筑物的三维环绕式飞行航线，受
主观因素影响较大。因而，目前仍缺乏一种高效的
单体建筑物精细化实景三维建模方法。
本文根据单体建筑物的自身条件、影像采集需求
和单镜头多旋翼无人机的特点，计算飞行航线的关键
参数，对不同单体建筑物的倾斜影像和正射影像采集方法进行航线自动规划设计，通过三维环绕拍摄[1316]，在低空完整收集建筑物高分辨率倾斜影像数据和正射影像数据，并按照Smart3D Capture软件实景三维建模的相关技术流程，将倾斜影像数据和正射影像数据相融合，进行实景三维重建，并从完整性、纹理细节、量测精度3个方面对实景三维模型进行分析。
1单体建筑物三维环绕式航线设计
基于单体建筑物进行精细化实景三维建模，需要尽可能获取建筑物外侧全部的纹理信息，根据本文提
出的三维环绕式飞行方案，对于单镜头多旋翼无人机来说，需要采用高效合理的倾斜式三维环绕航线和正射式三维环绕航线，对单体建筑物进行均匀环拍，以完整采集建筑物高分辨影像数据。
1.1基本理论
首先，通过地形图和卫星影像等参考资料对测区地物进行详细分析，并通过实地勘察全方位了解建筑物的长a、宽b1、高犮，以此为基础建立建筑物的外接长方体，并求得外接长方体的长犪、宽犫2、高犮，然后建立外接长方体的外接半球面，如图1(a)所示。最小圆柱体包围盒，如图1(b)所示。其半径分别为犚。与L。。计算方法如式(1)、式(2)所示。
槡犪2+犫+(2犮)2
犚0
槡犪2+犫2
以外接半球面和最小圆柱体包围盒为摄影基准面，根据衡量影像分辨率的重要指标地面分辨率(ground sample distance,GSD)，以正射影像的地面采样距离GSD为准计算摄影物距D。，如式(3)所示。
犇=GSD X P
犇0-FOV()
2tan”
式中:Pl为长边像元数量，即相机感光元件参数；FOV为镜头视角，镜头固定参数。
(b)最小圆柱体包围盒及正射航路圆柱体
图1外接半球面、倾斜航路半球面、
最小圆柱体包围盒、正射航路圆柱体
倾斜式航路半球面的半径r可以由外接半球面的半径、摄影物距经过简单的几何推算得到，如图1(a)所示。正射式航路圆柱体的半径L可由最小圆柱体包围盒的半径、摄影物距得到，如图1(b)所示。其计算如式(4)、式(5)所示。
R=R o+犇0(4)
L=L0+犇0(5) 1.2倾斜航线参数计算
依据最小外接半球面的半径、航路半球面的半径、航向重叠度、旁向重叠度、航向像元数量、旁向像
元数量、长边像元数量、最大飞行速度，计算每条环绕航路的相机俯仰角、航高、环绕半径、摄影基线长度、摄影间隔角、摄影间隔时间、任务执行时间。
1)初始航线参数计算。依据初始航线需要拍摄到建筑物底部与地面连接处影像数据的要求，初始俯仰角可由正弦定理得到相机中轴线所对的角,
R>R c>R sm警，再由三角形内角和得到初始俯仰角a，其计算如式(6)所示。
FOV
—1"in2FOV() a1—180—sin----------------—9(6)
R o2
初始航高H1、环绕半径R1、俯仰角a1之间的关系如式(7)、式(8)所示。
犎=R X sin a1(7)
R1=R X cos a1(8)无人机在飞行方向上相邻影像重叠的比例航向重叠率Q，用于计算航向摄影基线长度B1，计算方法如式(9)所示。
FOV
2犇o X tan—-—B1=(1—O I)X P I X--------p———(9)
P l
式中P x为航向像元数量，相机像素与航线平行方
—45
—
遥感信息2020年6期
向的像元数量。
根据当前航高和相机的水平视场角推算摄影间
隔角01，其计算如式(10)所示。
01=
2arctan 槡犚—H1)—犚(R—R。)2tan2
犚犚一R QtanF'Yd—。狓)
(10)
当无人机采用等时间间隔的方法采集影像时，可由摄影基线长度和无人机允许范围内的航速比值得到摄影间隔时间t，其计算如式(11)所示。
n X R1X01(
V max X180。1丿式中：V max为无人机最大飞行速度。
在进行航线规划时将航线长度除以容许无人机最大飞行速度就可以得到任务执行时间参数T其计算如式(12)所示。
T-2丫犚】(12)
犞max
2)当前航线参数计算。根据上一条环绕航线的航高和旁向重叠度计算当前环绕航路相机中轴线的俯仰
角a2，计算方法如式(13)所示。
a n一a n—1+a(1—O y)(13)式中:a”—1为上一条环绕航路的相机俯仰角O y为旁向重叠度。
当前环绕航线的航高、环绕半径、摄影基线长度、摄影间隔角、摄影间隔时间、任务执行时间可通过式(7)〜式(12)进行循环计算，若当前环绕航路满足式(14)〜式(16)则终止计算，说明当前航线下的相机视场已完全覆盖建筑物的顶部，否则继续执行式(6)的后续步骤。
C2
H”〉
R n<；槡R2—C2 sin(90°—a n)C2
(14)
(15) FOV
2
sin1,-
槡C C+R2—2C2cos(90°—a n)
(16) 1.3正射航线参数计算
依据建筑物最小圆柱体包围盒的半径、航路圆柱体的半径、重叠度、像元数量等已知参数，计算三维环绕航线的俯仰角、航高、环绕半径、摄影基线长度、摄影间隔角、摄影间隔时间、任务执行时间等参数。
1)初始航线参数计算。正射式三维环绕航线的初始云台俯仰角为a，初始航高为H1，环绕半径为R1，摄影基线长度为犅1，摄影间隔角为01。
«1=0°(17)
H1-tan FO，V(L0-进)(18)
R1-L(19) B】一(1—O JX GSDXE(20)
01—2X sin12R(21)
摄影间隔时间、任务执行时间通过式(11)~式(12)进行计算。
2)当前航线参数计算。根据上一条环绕航路的航高和旁向重叠度计算当前环绕航路的航高，计算方法如式(22)所示。
H n—H n—1+2H1X(1—O y)(22)
当前环绕航线的云台俯仰角重复式(17)环绕半径、摄影基线长度和间隔角循环式(19)〜式(21)摄影间隔时间、任务执行时间通过式(11)~式(12)进行计算，直到当前航线的航高满足式(23)时终止计算。说明当前航线下的相机视场角已完全拍摄到建筑物侧面顶部的影像数据。
H n〉C2—H1(23) 2环绕航路数学模型的设计与实现
在以往的无人机倾斜摄影环绕飞行过程中，由于没有专门针对单体建筑精细化建模影像数据采集的三维环绕航线规划软件，要求飞手根据航空摄影测量的基础知识和以往的飞行经验人为控制无人机的飞行航线参数。在进行航摄的过程中，有很多因素导致影像数据质量下降。若是能根据建筑物的自身条件，通过数学模型的方式自动规划出针对不同种类单体建筑物的三维环绕式航线，以确立环绕立体采集的最优方式，使得无人机航摄的外业流程实现自动化或半自动化，这对于影像数据的航摄质量和航摄效率会具有较大的意义。
本文利用C#软件产品设计流程，对三维环绕航线的计算系统进行需求分析和功能分析，并根据这些分
析建立了数学模型，数学模型实现的技术路线如图2所示。模型建立方法如下：首先根据1.1节的步骤，构造倾斜航路半球面和正射航路圆柱体；然后根据1.2节的步骤，依据已知参数和终止条件，计算倾斜式三维环绕航路飞行参数；其次根据1.3节的步骤，依据航路圆柱体的半径、高度及其终止条件，计算正射航路的飞行参数；最后在C#编程语言中将三维环绕航路数学模型的代码进行编译和运行测试。如图3所示，其显示界面主要分为2个部分：输入参数部分包括单体建筑物几何参数和实景三维模型的质量要求指标参数；输出参数部分用于显示倾斜摄影三维环绕航路和正射三维环绕航路的飞行参数。
46
引用格式：娄宁，马健，杨永崇，等.倾斜摄影的单体精细化三维建模技术[J].遥感信息，2020,35(6)44-4&
图2三维环绕航路数学模型实现技术路线
模大师，它具有强大的数据运算能力，能还原出接近 真实的毫米级模型。
3.2数据采集及处理
利用本文设计的三维环绕航路数学模型，输入
建筑物的几何参数长宽高、相机视场角、像元数量、
飞行速度、影像空间分辨率0. 1 cm 、航向重叠度
80%、旁向重叠度80%，输出倾斜摄影和正射三维
环绕飞行的参数(图3)无人机则按照上述参数生
成的三维环绕航线采集建筑物的倾斜影像数据和正
射影像数据。按照Smart3D Capture 软件实景建模
的相关技术流程，将倾斜影像数据和正射影像数 据融合处理，依据影像的内、外方位元素获取多视
角影像的同名点坐标，进行影像密集匹配[17]，生成 建筑物的密集点云并构建不规则三角网TIN，然
后进行纹理映射[18]，最终生成实景三维模型，如图
4所示。
3建模实例及实验分析
3.1实验对象和设备
实验挑选大疆精灵4(Phantom4)无人机为倾斜
摄影航摄平台，相片分辨为3 648X4 864，镜头视角
为84。。实景三维建模的实验对象是一栋单体建筑
物。该建筑的几何参数为长6. 6 m 、宽3. 6 m 、高
4 m 。采用本文设计的环绕航路数学模型自动计算
出无人机倾斜摄影三维环绕航路和正射三维环绕航
路的飞行参数。软件采用Smart3D Capture 实景建
图3三维环绕航路飞行参数图
(a)相机位置与连接点 (b)倾斜摄影密集点云 (c)实景三维模型局部
图4相机位置连接点、密集点云和实景三维模型
3.3实验分析
为检验本文设计的三维环绕航路采集的影像数据 所建单体精细化实景三维模型的可行性，对某单体建 筑物进行了实例建模，并从实景三维模型数据的完整 性、纹理细节及量测精度3个方面进行了质量分析。
三维实景模型的完整性可由模型纹理不存在缺
课堂教学有效性研究失和变形的面积与三维模型表面积的比值作为评价 模型完整率的标准。经计算，无人机单相机建模的
完整率为0.91，具有较优的完整性。在纹理细节方 面，从图4(c)可知，实景三维模型的细节基本没有
长度6.6
1宽度|3.61高度丨4
GSD 0.001 PL 4864
「 FOV F84
0X1 0.8
PX 36481 Vmax 6
贵州师范学院学报
OYIT0.8
Py 4864
计算
al: 51.260
Hl: 6.388 R l: 5.125 01: 8.168 tl: 0.122 Tl: 5.367 mn: 3.976
a2: 61.660 H2:7.208 R 2: 3.888 p2: 10.774 t2: 0.122 T2: 4.071 mn: 3.843a3: 72.060
H3:7.792 R 3: 2.523 p3: 16.638 t3: 0.122 T3: 2.642 mn: 3.344
纹理缺失，调均匀且能够真实地反映建筑物的表
面信息，具有较完整且清晰真实的纹理细节。由于
实景三维建模实现了倾斜加正射的三维环绕式拍 摄，该结果有效减少了观测盲区且完整采集了建筑
物的高分辨率影像数据。
对单体建筑物的仿真、保护和研究工作，更注重
的是建筑本身的尺寸、结构和纹理信息，因而在三维 重建的精度更应该关注相对精度。本文对模型的相
对精度采用检查点外业实测值与内业模型量测值对 比的方法进行评估，将外业实测的10个距离和高差
47
遥感信息2020 年6 期
与内业直接在实景三维模型上的量测值进行对比检 验。图5(a )显示了距离量测值与实测值的差值,
图5(b )显示了高差量测值与实测值的差值。从表1的
统计结果可知，点与点之间的距离精度、其模型量测值 与外业实测值的差值范围是(0.002 4士0.001 5) m ；点 与点之间的高差精度、其模型量测值与外业实测值
电赳刪罡赳易拯坷赳易*
M S
距离检测点
(a)距离量测值与实测值的差值
0.0090.008
0.0070.0060.005
0.0040.003
0.002
0.001°1
0.007
0.005
0.002
0.008
0.001
0.002 0.002
2
34 5 6 7 8 9 10
揪呂赳寡撫呵赳專*
船砸
高差检测点
(b)高差量测值与实测值的差值
图5三维模型量测精度分析
的差值范围是(0. 002 7士0. 002 8) m 。本实验的分
轮叶黑藻析结果表明， 基于本文设计的 三维环绕式航线 采集 的影像数据所制作的实景三维模型尺寸精度满足规
范要求，所建模型有完整性好、分辨率高、纹理真实、 几何精度可靠的特性。结合律
表1实景三维模型精度统计
m
精度指标
距离量测值与实 测值的差值高差量测值与实 测值的差值
最小差值0 00000 0000最大差值
0 00500 0080均值
0 00240 0027标准差
0 0015
0 0028
4结束语
本文针对单体建筑物真三维精细化建模问题，提 出了以单镜头多旋翼无人机为载体的三维环绕式航线
自动规划方法。该方法针对单体建筑物的不同特征进 行分析，自动设计不同的三维环绕式无人机飞行方案, 提升了单体建筑高分辨率影像数据采集的完整性、质 量和效率，所建模型具有完整性好、纹理真实、几何精
度可靠的特性。同时，本文所述方法对于单体建筑物中 “回”字型等特殊形态的单体建筑内部精细化建模存在局 限性。该情况将作为本文未来进一步研究的方向，并寻唐璜
求“回”字型等单体建筑物精细化建模的最优方式。
参考文献
[1] 张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M ].2版.武汉：武汉大学出版社，2009.
[2]
李德仁，肖雄武，郭丙轩，等.倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用[J ].武汉大学学报(信息科学版)
2016，41(6)：711-721
[3] 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)38-39,43.
[4] 倪鑫.通过“塔”式建筑的发展谈我国文化在建筑中的继承、融合和演化[D ].大连：大连工业大学，200&
[5] 任克彬，赵刚，王博，等.古塔倾斜监测系统的开发与模型验证[J].山东建筑大学学报,2017,32(6)595-600.
[6] 曹琳.基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模及其精度分析[D ].西安：西安科技大学，2016.
[7] 张东霞.近景摄影测量和三维渲染技术在建筑物精细建模中的应用[D ].泰安：山东农业大学，2015.
[8] 刘双童，王明孝.基于倾斜摄影建模技术的三维地形实体模型制作研究[J ].测绘与空间地理信息，2019,42(1)3133.[9]
孙文潇，王健，刘春晓.三维激光扫描在古建筑测绘中的应用[J].测绘科学,2016,41(12)297-301.
[10] 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)161164.
[11] 吴波涛，张煜，李凌霄，等.基于多旋翼单镜头无人机的三维建模技术[J].长江科学院院报，2016,33(11)99103,115.[12] 李天.基于环绕式倾斜摄影的塔式建筑精细三维建模[J].测绘通报，2019(S1)318-321.
[13] 刘春，曾劲涛，张书航，等.面向单体异形建筑的无人机单相机实景三维建模[J ].同济大学学报(自然科学版)2018,
46(4)：550-556，564
[14] 王涛，阳利永，曾举，等.不同航线规划模式下单体建筑物三维建模对比研究[J].测绘通报，2019(S1)298-302.[15] 于广瑞，王欣滔，黄兴明.无人机测绘任务方案设计与应用[J].测绘通报,2017(S1)216-219.
[16] 周骁腾，周政，张书航，等.面向单体建筑精细化建模的无人机三维航线规划[J].地矿测绘，2017,33(2)2427.[17] 冯飞，冯建辉，赵艳艳.无人机影像密集匹配方法[J].遥感信息，2016,31(5)12212
5.[18] 李莹.多视影像匹配密集点云的建筑物单体化构建研究[D ].阜新：辽宁工程技术大学，2017.
— 48
—
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议