無人機快速三維建模應用案例

測區分析

測區位于福建省某地，屬東南沿海低山丘陵區，地勢東南高、西南低。四周為海拔500米以上的中、低山環繞，中西部是以建溪、松溪為主軸的河谷平原、丘陵與串珠狀的山間盆谷，形成以水侵蝕為主的地貌。

精度要求

此次攝影獲取的影像用于制作地面三維模型，沒有明確的成圖精度指標需求，實驗中采用的影像的地面分辨率（GSD）為10cm。

方案設計

測區面積約2.67km2，地形主要以丘陵為主，平均海拔約340m，高約472m，低約208m。根據甲方作業需求，本次飛行方案設計地面分辨率10cm，相對航高513m，航向重疊80%，旁向重疊70%，共設計1架次飛行作業。本次飛行任務采用大重疊度飛行方案，目的是后續建立三維建模。

測區平均飛行高度約為757m，根據測區內高點和低點高程，計算可得實際獲取影像的GSD為5.6cm~10.7cm，滿足設計需求。

▲圖 1 測區航線規劃圖

▲圖 2 規劃航線立體顯示

采用智能航測系統F1000進行航攝。具體參數如下：

表 1  智能航測系統F1000航攝參數

智能航測系統F1000采用手拋自動起飛，由于作業區域地形環境復雜，采用傘降回收。全程自主飛行，姿態平穩，飛行過程監控各飛行參數均正常，巡航時速度基本穩定在60 km/h，三姿角度偏差< 5°。飛行時間共計30分鐘，飛行里程31km，返航后剩余電量65%。

整個任務共完成394張原始影像拍攝，并現場通過無人機管家軟件智檢圖進行數據質檢，共用時9分鐘，確認全部影像合格可用，整個飛行作業圓滿完成。

▲圖 3 現場工作照

統計飛行姿態角，得到

表 2 飛行姿態統計

單位：度

*注：考慮到飛行時航線的方向性，角度統計時均以值計算。

▲圖 4 飛行姿態統計

CH/Z 3005-2010 《低空數字航空攝影規范》中指出，像片傾角一般不大于5°，不超過12°，出現超過8°的片數不多于總數的10%；像片旋角一般不大于15°，在確保像片航向和旁向重疊度滿足要求的前提下，個別大旋角不超過30°，在同一條航線上旋角超過20°像片數不應超過3片，超過15°旋角的像片數不得超過分區像片總數的10%?？梢?，智能航測系統F1000飛行姿態符合規范要求。

▲圖 5 智檢圖工程

▲圖 6 質檢報告

▲圖 7 原始影像

采用無人機管家智拼圖進行空三加密處理，直接導入智檢圖工程，經過測區構建、自動匹配連接點、空三加密、影像勻光勻色、正射糾正、影像鑲嵌等處理，完成點云、DEM、DOM數據提取。

▲圖 8 DEM成果

▲圖 9 DOM成果

本次實驗目的為測試智能航測系統F1000快速獲取地面三維模型的能力，實驗過程中未專門布設地面控制點，將智拼圖中生成的DOM影像疊加到Google衛星影像上，可見影像不存在扭曲變形，與衛星影像接邊處道路等特征地物基本對齊，反映了自由網平差結果一致性較好。

    ▲圖 10 DOM疊加Google衛星影像顯示

將原始影像和POS數據導入無人機管家后，在智理圖模塊中對影像進行畸變差糾正和勻光勻色處理，在智拼圖模塊中進行空三處理并輸出精化后的POS數據。經過預處理后的影像色彩一致性好且消除了畸變差，有助于后續步驟中生成定位準確、紋理特征更好的三維模型數據。

三維建模采用Smart3D軟件進行，將空三后得到的外方位元素、相機參數以及糾正后的影像導入Smart3D進行三維建模。

▲圖 11 三維模型疊加紋理顯示

▲圖 12 三維模型、疊加紋理及點云效果圖

▲圖 13 建筑密集區三維模型

應客戶要求，作業員攜帶智能航測系統F1000前往福建某林業采育場進行飛行測試。上午6:10左右出發，7:40左右到達現場；根據現場情況及測區范圍信息規劃航線，8:00飛機起飛，8:30降落；共計獲取原始影像394張；覆蓋面積4.85km2。

智能航測系統F1000飛行時間30分鐘即獲取4.85km2的三維影像原始數據，對于其它類型無人機搭載的傾斜相機，獲取同樣面積的數據往往需要花費更多的時間。數據獲取能力體現出F1000在快速三維建模領域的潛力。

此次作業區域為典型山區地形，植被覆蓋茂盛，傳統人工調查難度較大，利用無人機極大的提高了作業率，與此同時無人機獲得的高分辨率影像數據能夠更加直觀的體現測區的真實現狀。

測區地處山區，地形起伏大、光照條件差異明顯，經過無人機管家勻光勻色處理后的DOM影像色彩均勻、不存在明顯接縫，且DOM內部一致性好，不存在扭曲、地物重影、拉花的現象。

經無人機管家預處理后，得到勻光勻色且無畸變的影像數據和精化后的POS數據，為后續快速三維建模處理提供了高質量的輸入數據。

實驗采用航向80%、旁向70%的大重疊度飛行，數據經Smart3D處理后得到測區高精度三維模型。雖然本次實驗未采用傾斜成像的方式獲取數據，但依靠大重疊度覆蓋的數據，建立了測區三維模型，在建筑密集區也獲得了較好的成像效果，證明了智能航測系統F1000在快速三維建模領域的應用能力。