無人機航拍攝影是以無人駕駛飛機作為空中平臺,以機載遙感設備，如輕型光學相機、紅外掃描儀，激光掃描儀、磁測儀等獲取信息，用計算機對圖像信息進行處理，并按照一定精度要求制作成圖像的技術。它具有高清晰、大比例尺、小面積、高現勢性、小型輕便、高效機動的優點，起飛降落受場地限制較小，在操場、公路或其它較開闊的地面均可起降，其穩定性、安全性較好，而且轉場非常容易，廣泛應用于國家生態環境保護、礦產資源勘探、自然災害監測與評估等領域，有著廣闊的市場需求。本文主要介紹了無人機航拍攝影在構建三維模型方面的應用。         圖1 無人機航拍（據nongjitong.com）

一、無人機使用前（中、后）的注意事項

1、無人機使用前注意事項

（1）搜集飛行區資料。在特殊地區（如機場）進行無人機飛行操作前，要先進行現場的資料收集，確保資料的完整、準確和現勢性，保證不影響飛行區域工作的正常進行。

（2）必要時提前進行現場勘踏。了解飛行區域內對無人機航飛有影響的高大建筑物、高壓線等，檢查已有控制點的位置及保存情況。

（3）提交空域申請。無人機航攝飛行應當遵循《中華人民共和國飛行基本規則》，根據飛行區域內具體情況，須在航測任務開展前向航測區的空域管理部門提報飛行計劃。

（4）飛行前檢查無人機電量是否充足。

（5）選擇有利的氣象條件，避免積雪、揚沙、大風等對建模的不利影響。航攝時，既要有充足的光照，又要避免陰影過大。

2、無人機使用中注意事項

（1）手動飛行時應注意照片的重合度。航線方向重疊度、旁向重疊度均應大于75%，確保后續三維建模質量。

（2）無人機起降場地應該選擇在無高壓線和高層建筑附近。

（3）航測過程中，無人機起飛越過區內最高障礙物后，可進入自動飛行。若突發意外情況，應沉著冷靜處理，及時終止任務，切換為手動控制，最大限度地保障人員與設備安全。

3、無人機使用后注意事項

（1）飛行任務完成后進行目視觀察，檢查像片有無缺陷，航線轉彎處有無明顯模糊、重影和錯誤。航線像片中若有明顯壞片、漏片，應在相同的氣象條件下補照。

（2）檢查pos數據是否齊全正常，保證pos點與像片一一對應。

（3）進行模型精度分析以及誤差分析。

二、三維模型的建模方法

1.傾斜攝影測量技術

在通過無人機航拍影像進行三維建模時，常用到的技術是傾斜攝影測量技術。

傾斜攝影測量技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，從而快速、高效獲取研究區域的測量數據和客觀豐富的地面數據信息，再通過相應軟件分析處理所獲得的影像資料，最后構建區域內高分辨率三維模型。其關鍵技術有多視影像聯合平差、多視影像聯合平差、數字表面模型生成和真正射影像糾正。

圖2 無人機傾斜攝影影像獲取示意圖（據馮威，2019）  

         

傾斜攝影測量技術有以下特點：(1)能夠反映地物周邊真實情況。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實的反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像應用的不足。(2)傾斜影像可實現單張影像量測。通過配套軟件的應用，可直接基于成果影像進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測，擴展了傾斜攝影技術在行業中的應用。(3)可采集建筑物側面紋理。針對各種三維數字城市應用，利用航空攝影大規模成圖的特點，加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效的降低城市三維建模成本。(4)數據量小易于網絡發布。相較于三維GIS技術應用龐大的三維數據，應用傾斜攝影技術獲取的影像的數據量要小得多，其影像的數據格式可采用成熟的技術快速進行網絡發布，實現共享應用。

此外，傾斜攝影技術在應用時還是存在一些問題，如：（1）數據影像匹配時，因傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素導致獲取的數據中含有較多的粗差，嚴重影響后續影像的空三精度。（2）傾斜攝影測量所形成的三維模型在表達整體的同時，某些地方存在模型缺失或失真等問題。（3）隨著科技的發展無人機作為傾斜攝影測量實用的載體，為了增加其便攜性和靈活性，無人機的續航能力不強，因此，電池的續航能力成為其推廣的限制條件,研制體積小長續航的電池迫在眉睫。

2.建模軟件

常用的建模軟件有ContextCapture、Pix4D、PhotoScan等。

ContextCapture基于點云數據可以生產多種格式的測繪成果，同時支持JPEG和TIFF格式的影像數據，也可以導入拍攝的視頻。該軟件實現了高度的集成化和自動化，其工程按樹結構組織。Pix4D軟件是由瑞士公司研發的一款航測數據處理軟件，可以處理無人機航拍、地面相機拍攝或者衛星影像數據等多種數據源，它可自由選擇輸出成果類型且輸出成果與眾多軟件兼容。PhotoScan軟件根據多視圖三維重建技術，通過導入具有一定重疊率的影像數據，便可實現高質量的正射影像生成及三維模型重建。

其中ContextCapture軟件生成三維模型的效果最好。用ContextCapture軟件建模有幾項優點：（1）快速，簡單，全自動。前期輸入需要處理的照片，設置好參數后便可完成空三加密，三維建模重建，DOM生成等工作。（2）模型效果逼真。如下圖所示。（3）支持多種三維數據格式。如OSGB（ContextCapture生成的三維模型格式，是由二進制存儲的帶有嵌入式鏈接紋理的數據）、OBJ（國際通用的標準3D模型格式，大部分三維軟件都支持這種格式的三維數據）（4）支持多種數據源，包括固定翼無人機、載人飛機、旋翼無人機甚至手機數據都可以。

圖3 ContextCapture 軟件界面（據 cn.bing.com ）

圖4 ContextCapture軟件建模效果（據何偉等，2023）

Pix4Dmapper更適合用于測繪。從數據采集到DOM、DSM及三維模型生產都有涉及。但是三維效果相對于ContextCapture來說還差一些，但DOM正射影像生成更勝一籌。Pix4Dmapper生成的DOM導出時是已經做好鑲嵌的，因此省去了在GIS軟件中做鑲嵌的步驟。此外，Pix4D有移動端采集APP+Web端展示+云計算+本地端處理及展示，這是它的突出的特點。

圖5 Pix4Dmapper軟件界面（據image.baidu.com）

圖6 Pix4Dmapper軟件建模效果（據support.pix4d.com）

PhotoScan是一款基于影像自動生成高質量三維模型的優秀軟件。有如下幾項優點：（1）支持傾斜影像、多源影像、多光譜影像的自動空三處理；（2）支持多航高、多分辨率影像等各類影像的自動空三處理；（3）具有影像掩模添加、畸變去除等功能；（4）能夠順利處理非常規的航線數據或包含航攝漏洞的數據；（5）支持多核、多線程CPU運算，支持CPU加速運算；（6）支持數據分塊拆分處理，高效快速地處理大數據；（7）操作簡單，容易掌握、處理速度快。

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

圖7 PhotoScan軟件界面（據cn.bing.com）

圖8 PhotoScan軟件建模效果（據fx361.com）

三、影像數據的處理流程

利用無人機獲取影像數據后，后續的數據處理流程如下：（1）將傾斜影像進行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素；（2）基于畸變校正后的傾斜影像和高精度的外方位元素通過多視影像密集匹配，獲得高密度三維點云,構建城市3DTIN模型；（3）根據3DTIN每個三角形面片的法線方程與二維圖像之間的夾角選擇相對應的最佳紋理信息，實現紋理的自動關聯；（4）輸出并獲得城市真三維模型成果。

圖9 數據處理流程（據曲林等，2015）

         

上述流程可以在ContextCapture等軟件中自動計算，最后生成三維場景。需要注意的是其中的無人機影像需要進行幾何糾正。幾何糾正主要集中于兩個方面:數碼相機鏡頭非線性畸變的糾正和針對成像時由于飛行器姿態變化引起的圖像旋轉和投影變形的糾正。在焦距確定的情況下,鏡頭畸變屬于系統誤差，它對每幅圖像產生的影響都是相同的，可以用數學公式或模型加以模擬預測，進行統一糾正。但由于飛行的不穩定造成的圖像旋轉和投影形變卻是每一幅都不一樣,需要逐幅進行糾正。

通常可以通過裁剪影像和后續糾正來進行糾正。裁剪即裁去邊緣畸變較大的部分，保留中心投影部分畸變較小的部分。后續糾正時理論上有幾種處理方式：① 利用野外可測控制點求解攝像機的外參數,進行圖像單幅糾正。② 利用目標區域的大比例尺地形圖,選擇合適的控制點,然后按照攝影測量的方法進行幾何糾正。③ 在目標區域有正射影像的基礎上,將采集的圖像與正射圖像進行配準,從而實現糾正。④ 基于機載慣性導航系統INS(Inertial Navigation System)測得的相機姿態和GPS(Global Position System)定位系統獲得的相機位置,進行糾正。其中，控制點的采集對精度控制很重要，它大大影響著幾何糾正的效果好壞。

四、應用實例

連會青等為解決傳統地質勘察工作量大、效率低，難以對高邊坡地質點進行信息提取的問題，以河北省秦皇島市柳江盆地為研究對象，選取東部落和潮水峪2個觀察點，采用無人機傾斜攝影測量技術獲得研究區影像數據，構建高分辨率三維模型，并在Acute 3D viewer中對三維模型進行地質信息識別與提取，提取到了區域經緯度、高程、兩點間的距離、垂直距離等基本信息，識別出斷層，并實現了對地質體信息的識別與量化提取。

圖10 研究區三維實景模型（據連會青等，2020）

         

圖11 巖石信息提取過程（據連會青等，2020）

         

印森林等利用無人機采集野外露頭模型進行了儲層構型分析。采集處理后的模型精度高 ，對砂體內部結構認識的定量化與精細化程度增高。無人機傾斜攝影技術不僅使數字露頭成為現實, 也是輔助地質學家進行高效野外考察的可靠技術。

圖12 無人機傾斜攝影三維露頭模型（據印森林等，2018）

         

圖13 典型露頭——碳酸鹽巖與碎屑巖地層疊置（據印森林等，2018）

         

聞彩煥等利用無人機傾斜攝影測量技術開展礦山生態修復。在勘查測繪階段，利用無人機傾斜攝影測量建立三維模型進行信息采集；在方案設計階段，結合地質災害信息、實景三維模型、測繪3D數字產品進行生態修復設計、工程量統計、投資預算，并建立生態修復效果模型；在施工管理階段，利用無人機傾斜攝影測量技術對工程的施工進度、工程量、施工效果進行動態跟蹤、實時監測、效果對比。

圖14 礦山地質環境模型（據聞彩煥等，2020）

圖15 礦山生態修復效果模型（據聞彩煥等，2020）

         

馮威基于無人機勘察數據和三維建模成果，實現了地層巖性、地質構造、不良地質等地質要素的準確判識，實現了巖體結構面等地質信息的定量提取，提高了勘察效率和精度，可推廣應用于復雜艱險山區工程勘察工作。

圖16 識別地質要素與巖體結構面提取（據馮威，2019）  

         

王果等提出一種基于無人機傾斜攝影技術的全自動露天礦邊坡三維重建方法，重建的三維模型可全面表達露天礦邊坡整體形態和保持局部細節特征，而且具備高效低成本等特點，在露天礦三維地形滑坡動態監測和災害分析方面具有重要意義。

圖17 試驗區真三維模型（據王果等，2017）

         

圖18 試驗區重建效果局部放大（據王果等，2017）

         

何原榮等針對古建筑三維重建中傳統技術很難同時兼顧高精度三維信息快速獲取和多角度真實地物紋理特征準確采集的難題，提出了聯合三維激光掃描與傾斜攝影測量技術的古建筑三維重建新方法。該方法的建模效率比傳統方法高效，且三維激光點云數據和無人機傾斜攝影數據的直觀性可降低建模過程中內外業的出錯率，避免了傳統方法對于建筑部件的局部數據缺失而返回現場補充量測數據的成本。同時，三維激光點云數據與無人機傾斜攝影測量獲取的古建筑數據更加豐富且完整，是可存檔的原始三維空間模型數據，可為科研人員進行后續研究提供最原始的數據支撐。曲林等利用無人機影像建立實景三維模型。通過傾斜攝影數據建立的實景三維產品，可服務于規劃、國土資源管理、城市管理、招商引資等方面，提升城市的對外宣傳形象。

圖19 古建筑三維模型（據何原榮等，2019）

         

圖20 街景工廠生產的實景三維模型（據曲林等，2015）

         

五、參考文獻

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作者：高雅恬

編輯：邢向杰

指導老師：能源教授

源自：構造地質學之旅