融合无人机与相机影像的三维重建方法研究

汪为国

四川成都 610000

摘要：随着倾斜摄影技术地持续发展，无人机倾斜摄影测量已成为获取地表三维模型的重要手段。但由于无人机搭载的镜头往往角度固定或可调整的角度受限，在地物较为复杂、密集的场景下往往由于地物之间地相互遮挡导致影像数据采集不完整，造成影像缺失区域在三维模型中的对应部位产生扭曲、孔洞等现象，影响到三维模型的完整性及精确性。针对这一问题，本文提出采用融合无人机与相机影像的三维重建方法来构建三维模型，结合无人机采集效率高、范围大，相机拍摄角度自由、操作灵活的优势，完成对地物全方位的影像数据采集，进而完成地物的三维重建工作。

关键词：无人机；相机；三维重建；

1引言

随着计算机技术和通信技术的迅速发展，无人机的各项性能都得到了全面提高，与之配套的软件系统持续完善，使得无人机倾斜摄影测量系统在各种工程应用中有了技术支持和质量保障。无人机以其稳定性好、成本低，可以对地物完成大范围、高效率的影像数据采集，数据的时效性和科学性强等优势，被广泛应用于多个行业，尤其是在测绘领域，无人机可以高效率地获取地面影像，在绘制高精度的中大比例尺测图、生成DEM（数字高程模型）模型等多个方面都得到了应用，发展前景极好。无人机倾斜摄影测量技术有效弥补了传统测量方式的不足，为建筑物施工监测和质量检测提供了新的技术手段。作为一种新兴技术，无人机倾斜摄影技术在施工现场的应用仍存在一定的局限性，由于建筑内部错综复杂，各种建筑构件相互遮挡，单一使用无人机难以对构件完成全方位的影像数据采集，造成遮挡部位的数据缺失，导致基于影像数据所建立的三维模型对应部位产生扭曲、孔洞等现象，影响测量精度。而相机以其拍摄角度自由、操作灵活等优势，能对无人机影像提供有效的补充。结合无人机与相机的特点及优势，能够对完成安装后的构件完成全方位、高效率地影像数据采集。

2 融合无人机与相机（空+地）影像的三维重建方法的关键技术

相较于基于倾斜摄影测量的三维建模方法，融合无人机与相机（空+地）影像的重建方法添加了相机的影像，其关键就在于实现无人机与相机影像之间的影像匹配。由于无人机与相机之间拍摄的角度、距离、传感器等差异过大，很难直接完成两组影像之间的影像匹配。

影像匹配的实质就是不同影像间的同名像点的识别与提取，为了实现无人机与相机的影像数据完成影像匹配，确保两者影像之间具有足够的同名像点极为重要。影像间同名像点数量的直观体现就在于相邻影像间的重叠度，无人机和相机因为拍摄的距离、角度、传感器都存在差异，两者影像之间的重叠度极低。为保障无人机与相机影像数据之间的重叠度，本文提出采用引入过渡影像的方式实现无人机与相机影像数据在三维重建时的融合。

过渡影像是介于无人机影像与相机影像间的一组影像数据，与无人机影像及相机影像之间都具备足够的重叠度。其采集方法是从无人机的采集高度开始，按照相邻影像重叠度的要求依次降低高度并捕捉影像，到相机的采集高度后，缓慢转动镜头视角并采集影像，直至与相机的采集角度一致。引入过渡影像后，无人机与相机影像之间完成了影像匹配，并完成空中三角测量，还原了影像的航带关系。

3. 影像数据采集

（1）目标区域勘察：获取目标区域的范围、地物高程等信息。确定目标区域范围内是否有山峰、建筑、树木等障碍，通过合理设置无人机的飞行高度保障无人机的作业安全；确定目标区域范围内是否存在遮挡。根据区域内的遮挡情况划定无人机的飞行航带与相机的拍摄路线；确定目标区域是否有玻璃、瓷砖、水面等反光物体。拍摄时应与这些物体保持一定距离，这些物体的反光可能会影响到影像的质量，导致三维模型出现扭曲、变形等现象；需要避免阳光直射产生的阴影对建模产生影响，采集工作尽量在多云天气、阴天进行。

（2）采集方案制定：通过飞行控制控软件来设定无人机的飞行任务，设置无人机的工作区域、飞行高度、重叠度等参数，通过五个飞行任务模拟五镜头无人机完成对目标区域完成垂直、前、后、左、右五个方向的影像数据采集工作。根据目标区域的范围划定无人机的工作区域；根据目标工作区域内山丘、建筑、树木的情况设定无人机的飞行高度；通过影像重叠度的要求设置无人机的航向重叠度、旁向重叠度；另外根据项目实际情况设置无人机的飞行速度、拍照间隔、相机倾斜角等参数。

（3）相机参数的确定：相机影像的取景范围、画面亮度等尽量要同无人机影像保持一致，以确保三维重建时两组数据的有效融合。根据等效焦距换算，换算相机的焦距，并结合作业时的天气情况及无人机的镜头设置确定相机的ISO、光圈的设置。

（4）影像数据采集：无人机根据飞控软件上传的任务对目标区域自动完成垂直、前、后、左、右五个方位的影像数据采集后，使用相机对无人机因遮挡而缺失影像数据的区域进行补充。为了尽量实现无人机影像数据与相机影像数据在三维重建过程中的自动融合，使用无人机完成过渡影像的采集工作。选择工作区域内的空旷位置，从无人机的飞行高度开始，保持镜头向下采集影像，保证相邻影像重叠度不低于 75%，确定无人机的拍摄间隔。至采集完据地面约 1m 处的影像后，保持无人机正对目标主体，抬升无人机镜头并采集影像数据，至镜头与正对目标，期间同样保证相邻影像重叠度不低于 75%。最后使用相机对目标区域进行采集，相机变换角度或移动时要保证相邻影像间的重叠度（可以参考相机的网格线作为辅助），完成所有影像数据地采集。

4. 融合无人机与相机（空+地）影像的三维重建方法的技术特征

融合无人机与相机（空+地）影像的三维重建方法不仅能够使三维模型全面直观地呈现地形地貌特征以及建筑物的细节，真实还原地物的纹理和色彩，还能够通过外业测量的控制点坐标赋予三维模型较为精确的空间位置信息。该方法所建的三维模型具备丰富的纹理信息、完整的空间信息，其主要特征表现在：

（1）真实性：该方法弥补了无人机倾斜摄影测量因遮挡导致影像数据采集不完整引起三维模型对应区域出现扭曲、孔洞等缺陷，所建立的三维模型更加完整、真实，可以从各个视角进行查看，真实地反映地物的外观、空间位置、高度等属性，更加逼真的反映建筑物的实际情况，增强三维模型在浏览时的沉浸感。

（2）范围大、效率高、应用广：随着无人机各方面都得到发展和提高，可实现对地物影像数据大范围、高效率地采集；由于过渡影像的引入，三维重建时减少了人工干预的工作量，极大提高了三维建模的效率；通过该方法所获取三维模型包含地物的空间位置信息，通过相关软件能够对三维模型实现距离、面积、体积、点坐标等各项数据的测量工作，能够广泛应用于多个工程领域。

5. 结束语

本文提出采用融合无人机与相机影像的三维重建方法来构建三维模型，结合无人机采集效率高、范围大，相机拍摄角度自由、操作灵活的优势，完成对地物全方位的影像数据采集，进而完成地物的三维重建工作。总结了该方法的技术特征及优势：改善了无人机倾斜摄影测量在存在遮挡场景下应用的局限性，具有真实性、数据采集范围大等优势。

参考文献

1. 杨存英. 基于倾斜影像的建筑物提取与参数化三维重建[D]. 西安: 西安科技大学, 2016.

2. 郭雨. 融合多源数据的三维重建技术研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2019.

3. 桂德竹, 林宗坚, 张成成. 倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究[J]. 测绘科学, 2012,37(04):140-142.

作者：汪卫国，身份证号：511381198108049351。