1引言
新建､改建､擴建等各類工程，都是基於現有施工環境和場地條件來進行的｡尤其在既有建築的改造工程中，對原地形的勘測在專案場地規劃､施工部署､交通組織等方面有著非常重要的作用｡隨著無人機傾斜攝影技術精度的逐步提高，其建模質量也趨向穩定，使無人機實景模型輔助施工現場管理成為可能，也為數字化城市建設提供一種思路｡
2工程概況
浙江省溫州市文成縣城鎮管網改造工程是PPP專案，包括大嶨鎮､黃坦鎮等五個片區的舊城鎮管網改造，共計新建給水､汙水､雨水､電力､綜合通訊及燃氣管道總長約650km｡因專案工程量大，遂選取該專案中典型小區朝陽小區的管網改造工作為研究主體｡朝陽小區位於文成縣棲霞路和朝陽路交叉口的西南側，佔地約20000m²｡包括20餘棟6層~8層不規則民建，是磚混結構的住宅，高度30m左右｡小區東低西高，高差4m~5m，場地內房屋排布十分緊密，樓棟間距離最小處不足2m，小區東面臨河，西南角､西面及北面有小高坡，給無人機航拍實景增加了難度｡
3應用原理及現狀
3。1應用原理
三維實景建模的理論依據是多視角匹配的概念，以影象為素材構建實景模型，充分利用地面同一地物的不同視角影像，透過同一個畫素點在不同照片中的影象進行空中三角測量運算來進行定位，生成點雲，形成三維網格，結合三維紋理，形成三維實景模型｡基於目前的演算法，模型重建物件的每一部分至少需要在3個不同視點進行拍攝，且相鄰兩張照片重疊部分應超過60%（見圖1）｡影像可以透過各類裝置採集，生產模型的精度與照片精度及裝置位置資訊的準確度相關｡
圖1影象特徵匹配示意圖
3。2應用現狀
目前，無論國內，還是國外，利用無人機建立的實景模型，其精度都還不足以支撐模型的深入應用｡另外，無人機航測場地的不確定性以及不同無人機本身的硬體引數變化多樣，航拍軟體的引數設定標準又不相同，傾斜攝影測量涉及的各個引數之間的關係也未進行過系統理論的分析，沒有形成統一標準規範｡
4技術路線的確定
透過理論學習，結合專案實際，確定整體方案的實現路徑（見圖2），透過軟硬體對比，結合實踐，形成完整解決方案｡
圖2技術路線示意圖
5軟硬體的選擇
5。1無人機的選擇
綜合考慮無人機效能､專案適用性和經濟性，採用“大疆Phantom4Advanced+”的單鏡頭無人機，其主要引數見表1｡
表1單鏡頭無人機主要引數主要引數
感測器尺寸鏡頭相機畫素鏡頭可轉動範圍鏡頭誤差配置25。4mm（1in）CMOSFOV84°8。8mm/24mm（35mm格式等效）f/2。8-f/11帶自動對焦（對焦距離1m至無窮遠）2000萬畫素俯仰：-90°至+30°±0。02°5。2航線規劃軟體的選擇目前，航線規劃軟體眾多，本專案採用大疆自有航線規劃軟體“DJIPilot”作為航線規劃工具，能與硬體更相容｡
5。3模型生成軟體的選擇對多款模型生產軟體進行對比，考慮後期對模型資料的綜合應用，確定選擇ContextCapture軟體作為模型生產軟體｡CC軟體的優勢主要以下幾點：
①操作簡單，對照片的質量､格式挑選度不高；
②三維模型效果逼真；
③支援多種資料格式，如OSGB､OBJ等通用格式；
④模型精度相對較高｡但缺點也很明顯：記憶體需求大，導致大模型需要分多塊進行生產；模型生產速度相對較慢｡
5。4計算機配置的選擇
計算機配置需滿足CC軟體進行模型生產，建議執行配置如下：
①記憶體，軟體對記憶體需求比較高，以64G以上為佳，至少16G，但模型生產時間會較長；
②系統，建議Windows7/1064位系統，軟體測試相對穩定；
③CPU，8核心CPU，一般需要保證CPU的頻率較高就好，建議2。4GHz以上；
④顯示卡，較新版的NVIDIAGeForce系列顯示卡即可；
⑤硬碟，親測使用高速SSD固態硬碟，能加快建模速度｡
6資料採集
本節所有建議使用的引數，都基於使用“大疆Phantom4Advanced+”無人機進行傾斜攝影建模過程中得到的經驗值｡在資料採集過程中，應實時注意飛機上記憶體容量是否滿足影像資料儲存的要求｡
6。1環境要求風力要求
根據無人機使用說明書操作即可，一般要求風力不大於3級｡飛行過程中，控制器上風力警報提示密集，且單次報警持續時間超過1s，應立即停飛｡其他環境要求：作業時間一般選擇9：00~15：00之間，光照適中；無霧霾，無雨；空氣能見度高，環境光呈漫反射狀態｡
6。2無人機引數､路線設定
6。2。1路線設定
DJIPilot軟體航線設定為全自動計算設定，透過設定航線範圍，自動規劃航線｡航線範圍可設定為任意多邊形｡設定時，儘量縮小範圍以減少飛行時間和飛行資料量｡航線範圍不宜超過3萬m2（隨電池容量及其他飛行引數調整），以減少因重複升降無人機而耗電，也避免不同時間段光線條件的對建模精度的影響｡
6。2。2航高飛機在採集影像資料時，飛行所設定的離平均基準面的垂直距離稱為航高｡航高分為相對航高和絕對航高｡以作業區域範圍內的基準面為起算面的垂直高度定義為相對航高，而相對航高和分割槽內基準面標高之和稱為絕對航高｡合理的調節航高可以提高資料採集效率，獲得理想的相片解析度，減小遮擋面積｡航高以高於最高建築物15m~20m為佳，可獲得良好相片質量且飛行資料量較小｡航高及鏡頭傾斜度設定後，要檢查5條航線的軌跡，避免航線碰撞高聳物體｡航測過程中，單項任務需要多次起飛的，起飛位置應儘量相同，否則，會導致實際飛行高度不同，損失相片資料質量｡
6。2。3飛行速度一般設定
飛行速度不超過8m/（s經驗值），高速飛行採集的影像點容易產生一定位移，導致模型質量不高｡
6。2。4航向重疊度航向重疊又稱為“縱向重疊”｡指航空攝影中同一航線上的相鄰相片中有同一地面影像部分（假設地面水平）｡資料採集過程中，沿航向重疊部分與整個相片的長度之比，稱為“航向重疊度”｡根據飛行經驗及建模比較，要求航向重疊度設定為75%以上｡設定為80%時，模型質量較高；設定為80%以上，模型質量提升不明顯，故推薦設定為80%｡
6。2。5旁向重疊度
旁向重疊又稱為“橫向重疊”｡指航空攝影中兩條相鄰航線上所拍攝的相片中有同一地面影像，旁向重疊部分的長度與整個相片長度之比，為“旁向重疊度”｡一般要求旁向重疊度設定為60%以上｡重疊度設定為75%時，模型質量較高｡設定為75%以上，模型質量提升不明顯，故推薦設定為75%｡
6。2。6相機傾角
相機傾角指的是側向相片攝影過程中，相機鏡頭傾斜的角度｡軟體一般以水平方向為0°，鏡頭豎直向下為-90°｡傾斜角以設定為-45°最為普遍，但實際操作中應當考慮多方面因素｡
①-45°的航線會飛出航測區域周邊較大距離，尤其飛行高度較高時，必須檢查碰撞確定航線安全｡
②航測地面建築物密集且建築物高度遠大於間距時，必須適當調小傾角（指視角與地面更趨向垂直），以保證建築物之間地面資料的採集｡注意相機傾角越小，航高越低，測繪同樣面積的影像資料量就越大，設定過程中也應予適當考慮｡
7模型生產模型
生產軟體原理基本上相近，模型生產基本路線如圖3所示｡
圖3 模型生產基本路徑
7。1軟體介紹
ContextCapture採用了主從模式（Master-Worker），分別是ContextCaptureMaster和ContextCaptureEngine｡ContextCaptureMaster是軟體的主模組｡主要用於輸入資料，設定模型生產引數，提交過程任務，監控任務的處理過程及處理結果，並進行視覺化輸出等｡Mas‐ter本身並不執行處理過程｡ContextCaptureEngine是軟體的工作模組｡它負責接收並分析處理Master給予的任務，在計算機後臺執行，本身不與使用者互動｡
7。2模型生產流程
模型生產流程主要包括匯入相片，設定相機屬性，提交空中三角測量計算，重建引數設定，模型生產五個環節｡
1）匯入相片､設定相機屬性相片匯入前，應先對相片進行處理｡“大疆Phantom4Advanced+”無人機生成的影像圖片自帶位置資訊及相機資訊，只需要檢查照片是否有變形､曝光｡相片匯入完成後，進行完整性檢測｡
2）提交空中三角測量計算按預設設定，進行空三運算｡
3）重建引數設定待空三運算完成後，點選新建重建專案按鈕，點選空間框架，對模型生產進行分割槽塊設定｡選擇分塊方法，注意設定瓦片的大小，以預期RAM使用量不超過電腦RAM的50%為佳｡
4）模型生產完成重建引數設定後，點選提交新的生產專案，在輸出格式中選擇目標格式｡
5）成果匯出支援匯出為3mx､fbx､obj､osgb､dae､stl等格式，可以採用Acute3DViewer進行瀏覽，也可以匯入microstation中與BIM模型進行整合，或將相容格式fbx､dae檔案匯入3dmax､Fuzor､Lumion等BIM軟體進行模型整合､動畫製作或場景漫遊，輸出STL格式則可對接3D印表機｡
圖4 空三點密度圖
8存在問題及成果總結
8。1存在問題航測軟體智慧程度不高，不能自動規避路線上的高聳物，必須設定較高航高避開高聳物，因此，導致相片質量不佳｡
①電池問題，本次使用的飛機，單次飛行只能完成航速10m/s､航線長3km的工作量，航速再快則無法保證無人機拍攝過程中的姿態｡
②對於因為遮擋導致資料生成錯誤的部位，不能實現編輯修改，也沒有對三維資料進行批次處理的軟體工具｡
③模型無法排除植被造成的失真｡
④沒有合適的軟體對三維資料格式檔案進行合併､分解､轉換及編輯操作｡
8。2成果總結
以管網改造工程改造前的地形勘測作為研究契機，利用無人機進行了不同引數的影像資料採集，透過ContextCapture軟體實現模型生產，並對模型進行質量對比，得到較高精度實景模型如圖5-6｡模型表皮資訊基本完整，經過現場實測，水平向及高程誤差均在40mm以內｡已能滿足本專案施工部署､地下管線排布最佳化以及結合BIM技術做城鎮數字運維的需要，但進一步深入地應用，還需要依賴更高精度的模型，以及模型資料格式的開放｡需要飛行航拍硬體､航線規劃軟體以及模型生產､編輯軟體有進一步的突破｡
圖5 朝陽小區實景模型
圖6 朝陽小區實景模型（去紋理）
