如何使用无人机进行三维建模

无人机圈 2023年6月19日浏览：1878 评论：1 收藏：2

无人机航拍摄影是以无人驾驶飞机作为空中平台,以机载遥感设备，如轻型光学相机、红外扫描仪，激光扫描仪、磁测仪等获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像的技术。它具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性、小型轻便、高效机动的优点，起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，其稳定性、安全性较好，而且转场非常容易，广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、自然灾害监测与评估等领域，有着广阔的市场需求。本文主要介绍了无人机航拍摄影在构建三维模型方面的应用。如何使用无人机进行三维建模的图1 图1 无人机航拍（据nongjitong.com）

一、无人机使用前（中、后）的注意事项

1、无人机使用前注意事项

（1）搜集飞行区资料。在特殊地区（如机场）进行无人机飞行操作前，要先进行现场的资料收集，确保资料的完整、准确和现势性，保证不影响飞行区域工作的正常进行。

（2）必要时提前进行现场勘踏。了解飞行区域内对无人机航飞有影响的高大建筑物、高压线等，检查已有控制点的位置及保存情况。

（3）提交空域申请。无人机航摄飞行应当遵循《中华人民共和国飞行基本规则》，根据飞行区域内具体情况，须在航测任务开展前向航测区的空域管理部门提报飞行计划。

（4）飞行前检查无人机电量是否充足。

（5）选择有利的气象条件，避免积雪、扬沙、大风等对建模的不利影响。航摄时，既要有充足的光照，又要避免阴影过大。

2、无人机使用中注意事项

（1）手动飞行时应注意照片的重合度。航线方向重叠度、旁向重叠度均应大于75%，确保后续三维建模质量。

（2）无人机起降场地应该选择在无高压线和高层建筑附近。

（3）航测过程中，无人机起飞越过区内最高障碍物后，可进入自动飞行。若突发意外情况，应沉着冷静处理，及时终止任务，切换为手动控制，最大限度地保障人员与设备安全。

3、无人机使用后注意事项

（1）飞行任务完成后进行目视观察，检查像片有无缺陷，航线转弯处有无明显模糊、重影和错误。航线像片中若有明显坏片、漏片，应在相同的气象条件下补照。

（2）检查pos数据是否齐全正常，保证pos点与像片一一对应。

（3）进行模型精度分析以及误差分析。

二、三维模型的建模方法

1.倾斜摄影测量技术

在通过无人机航拍影像进行三维建模时，常用到的技术是倾斜摄影测量技术。

倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，从而快速、高效获取研究区域的测量数据和客观丰富的地面数据信息，再通过相应软件分析处理所获得的影像资料，最后构建区域内高分辨率三维模型。其关键技术有多视影像联合平差、多视影像联合平差、数字表面模型生成和真正射影像纠正。

如何使用无人机进行三维建模的图2

图2 无人机倾斜摄影影像获取示意图（据冯威，2019）

倾斜摄影测量技术有以下特点：(1)能够反映地物周边真实情况。相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，更加真实的反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像应用的不足。(2)倾斜影像可实现单张影像量测。通过配套软件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。(3)可采集建筑物侧面纹理。针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效的降低城市三维建模成本。(4)数据量小易于网络发布。相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

此外，倾斜摄影技术在应用时还是存在一些问题，如：（1）数据影像匹配时，因倾斜影像的摄影比例尺不一致、分辨率差异、地物遮挡等因素导致获取的数据中含有较多的粗差，严重影响后续影像的空三精度。（2）倾斜摄影测量所形成的三维模型在表达整体的同时，某些地方存在模型缺失或失真等问题。（3）随着科技的发展无人机作为倾斜摄影测量实用的载体，为了增加其便携性和灵活性，无人机的续航能力不强，因此，电池的续航能力成为其推广的限制条件,研制体积小长续航的电池迫在眉睫。

2.建模软件

常用的建模软件有ContextCapture、Pix4D、PhotoScan等。

ContextCapture基于点云数据可以生产多种格式的测绘成果，同时支持JPEG和TIFF格式的影像数据，也可以导入拍摄的视频。该软件实现了高度的集成化和自动化，其工程按树结构组织。Pix4D软件是由瑞士公司研发的一款航测数据处理软件，可以处理无人机航拍、地面相机拍摄或者卫星影像数据等多种数据源，它可自由选择输出成果类型且输出成果与众多软件兼容。PhotoScan软件根据多视图三维重建技术，通过导入具有一定重叠率的影像数据，便可实现高质量的正射影像生成及三维模型重建。

其中ContextCapture软件生成三维模型的效果最好。用ContextCapture软件建模有几项优点：（1）快速，简单，全自动。前期输入需要处理的照片，设置好参数后便可完成空三加密，三维建模重建，DOM生成等工作。（2）模型效果逼真。如下图所示。（3）支持多种三维数据格式。如OSGB（ContextCapture生成的三维模型格式，是由二进制存储的带有嵌入式链接纹理的数据）、OBJ（国际通用的标准3D模型格式，大部分三维软件都支持这种格式的三维数据）（4）支持多种数据源，包括固定翼无人机、载人飞机、旋翼无人机甚至手机数据都可以。

图3 ContextCapture 软件界面（据 cn.bing.com ）

如何使用无人机进行三维建模的图4

图4 ContextCapture软件建模效果（据何伟等，2023）

Pix4Dmapper更适合用于测绘。从数据采集到DOM、DSM及三维模型生产都有涉及。但是三维效果相对于ContextCapture来说还差一些，但DOM正射影像生成更胜一筹。Pix4Dmapper生成的DOM导出时是已经做好镶嵌的，因此省去了在GIS软件中做镶嵌的步骤。此外，Pix4D有移动端采集APP+Web端展示+云计算+本地端处理及展示，这是它的突出的特点。

图5 Pix4Dmapper软件界面（据image.baidu.com）

图6 Pix4Dmapper软件建模效果（据support.pix4d.com）

PhotoScan是一款基于影像自动生成高质量三维模型的优秀软件。有如下几项优点：（1）支持倾斜影像、多源影像、多光谱影像的自动空三处理；（2）支持多航高、多分辨率影像等各类影像的自动空三处理；（3）具有影像掩模添加、畸变去除等功能；（4）能够顺利处理非常规的航线数据或包含航摄漏洞的数据；（5）支持多核、多线程CPU运算，支持CPU加速运算；（6）支持数据分块拆分处理，高效快速地处理大数据；（7）操作简单，容易掌握、处理速度快。

（据https://blog.csdn.net/xiaokcehui/article/details/79282100）

如何使用无人机进行三维建模的图7

图7 PhotoScan软件界面（据cn.bing.com）

如何使用无人机进行三维建模的图8

图8 PhotoScan软件建模效果（据fx361.com）

三、影像数据的处理流程

利用无人机获取影像数据后，后续的数据处理流程如下：（1）将倾斜影像进行空中三角测量，获得所有影像的高精度外方位元素；（2）基于畸变校正后的倾斜影像和高精度的外方位元素通过多视影像密集匹配，获得高密度三维点云,构建城市3DTIN模型；（3）根据3DTIN每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的夹角选择相对应的最佳纹理信息，实现纹理的自动关联；（4）输出并获得城市真三维模型成果。

如何使用无人机进行三维建模的图9

图9 数据处理流程（据曲林等，2015）

上述流程可以在ContextCapture等软件中自动计算，最后生成三维场景。需要注意的是其中的无人机影像需要进行几何纠正。几何纠正主要集中于两个方面:数码相机镜头非线性畸变的纠正和针对成像时由于飞行器姿态变化引起的图像旋转和投影变形的纠正。在焦距确定的情况下,镜头畸变属于系统误差，它对每幅图像产生的影响都是相同的，可以用数学公式或模型加以模拟预测，进行统一纠正。但由于飞行的不稳定造成的图像旋转和投影形变却是每一幅都不一样,需要逐幅进行纠正。

通常可以通过裁剪影像和后续纠正来进行纠正。裁剪即裁去边缘畸变较大的部分，保留中心投影部分畸变较小的部分。后续纠正时理论上有几种处理方式：① 利用野外可测控制点求解摄像机的外参数,进行图像单幅纠正。② 利用目标区域的大比例尺地形图,选择合适的控制点,然后按照摄影测量的方法进行几何纠正。③ 在目标区域有正射影像的基础上,将采集的图像与正射图像进行配准,从而实现纠正。④ 基于机载惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)测得的相机姿态和GPS(Global Position System)定位系统获得的相机位置,进行纠正。其中，控制点的采集对精度控制很重要，它大大影响着几何纠正的效果好坏。

四、应用实例

连会青等为解决传统地质勘察工作量大、效率低，难以对高边坡地质点进行信息提取的问题，以河北省秦皇岛市柳江盆地为研究对象，选取东部落和潮水峪2个观察点，采用无人机倾斜摄影测量技术获得研究区影像数据，构建高分辨率三维模型，并在Acute 3D viewer中对三维模型进行地质信息识别与提取，提取到了区域经纬度、高程、两点间的距离、垂直距离等基本信息，识别出断层，并实现了对地质体信息的识别与量化提取。

图10 研究区三维实景模型（据连会青等，2020）

图11 岩石信息提取过程（据连会青等，2020）

印森林等利用无人机采集野外露头模型进行了储层构型分析。采集处理后的模型精度高，对砂体内部结构认识的定量化与精细化程度增高。无人机倾斜摄影技术不仅使数字露头成为现实, 也是辅助地质学家进行高效野外考察的可靠技术。

图12 无人机倾斜摄影三维露头模型（据印森林等，2018）

如何使用无人机进行三维建模的图13

图13 典型露头——碳酸盐岩与碎屑岩地层叠置（据印森林等，2018）

闻彩焕等利用无人机倾斜摄影测量技术开展矿山生态修复。在勘查测绘阶段，利用无人机倾斜摄影测量建立三维模型进行信息采集；在方案设计阶段，结合地质灾害信息、实景三维模型、测绘3D数字产品进行生态修复设计、工程量统计、投资预算，并建立生态修复效果模型；在施工管理阶段，利用无人机倾斜摄影测量技术对工程的施工进度、工程量、施工效果进行动态跟踪、实时监测、效果对比。

如何使用无人机进行三维建模的图14

图14 矿山地质环境模型（据闻彩焕等，2020）

如何使用无人机进行三维建模的图15

图15 矿山生态修复效果模型（据闻彩焕等，2020）

冯威基于无人机勘察数据和三维建模成果，实现了地层岩性、地质构造、不良地质等地质要素的准确判识，实现了岩体结构面等地质信息的定量提取，提高了勘察效率和精度，可推广应用于复杂艰险山区工程勘察工作。

图16 识别地质要素与岩体结构面提取（据冯威，2019）

王果等提出一种基于无人机倾斜摄影技术的全自动露天矿边坡三维重建方法，重建的三维模型可全面表达露天矿边坡整体形态和保持局部细节特征，而且具备高效低成本等特点，在露天矿三维地形滑坡动态监测和灾害分析方面具有重要意义。

图17 试验区真三维模型（据王果等，2017）

图18 试验区重建效果局部放大（据王果等，2017）

何原荣等针对古建筑三维重建中传统技术很难同时兼顾高精度三维信息快速获取和多角度真实地物纹理特征准确采集的难题，提出了联合三维激光扫描与倾斜摄影测量技术的古建筑三维重建新方法。该方法的建模效率比传统方法高效，且三维激光点云数据和无人机倾斜摄影数据的直观性可降低建模过程中内外业的出错率，避免了传统方法对于建筑部件的局部数据缺失而返回现场补充量测数据的成本。同时，三维激光点云数据与无人机倾斜摄影测量获取的古建筑数据更加丰富且完整，是可存档的原始三维空间模型数据，可为科研人员进行后续研究提供最原始的数据支撑。曲林等利用无人机影像建立实景三维模型。通过倾斜摄影数据建立的实景三维产品，可服务于规划、国土资源管理、城市管理、招商引资等方面，提升城市的对外宣传形象。

如何使用无人机进行三维建模的图19