無人機(jī)三維重建序列圖像

摘要隨著21世紀(jì)信息科技迅猛的發(fā)展，測繪行業(yè)從外業(yè)測量、內(nèi)業(yè)處理到最終產(chǎn)品輸出都已經(jīng)逐漸開始邁入新的時(shí)代。近幾年來，無人機(jī)的迅速發(fā)展，使得無人機(jī)航測這一新的作業(yè)方式逐漸成為主流，更進(jìn)一步加速了測繪作業(yè)產(chǎn)品從2D轉(zhuǎn)向3D的步伐。無人機(jī)航測與傳統(tǒng)的測量方式進(jìn)行多角度對比，其具有精致靈活、作業(yè)完成效率高、快速精確、所需成本較低、運(yùn)用領(lǐng)域普遍等特點(diǎn)，并且它所生成的產(chǎn)品除了傳統(tǒng)的DOM,DEM等產(chǎn)品，還有具有極高還原度的三維模型。這種三維模型可用于突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處理、旅游景點(diǎn)展示、國家大型基礎(chǔ)工程建設(shè)測量、數(shù)字化城市建設(shè)、民用電子三維地圖以及無人汽車的高精度導(dǎo)航地圖等等。本文基于人機(jī)航測的基礎(chǔ)知識和原理，利用無人機(jī)獲取的序列圖像完成無人機(jī)航測的基本處理生成測繪產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行三維建模。本研究基于專業(yè)的無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理軟件Pix4D和Photoscan進(jìn)行三維模型重建實(shí)驗(yàn)分析，并進(jìn)行兩者在數(shù)據(jù)處理、模型效果及精度進(jìn)行對比分析。關(guān)鍵詞：無人機(jī)，三維重建，序列圖像

AbstractWiththerapiddevelopmentofinformationtechnologyinthe21stcentury,surveyingandmappingindustryhasgraduallyenteredanewerafromexternalmeasurement,internalprocessingtofinalproductoutput[1].Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofUAV,thenewoperationmodeofUAVaerialsurveyhasgraduallybecomethemainstream,whichhasfurtheracceleratedthepaceofsurveyingandmappingproductsfrom2Dto3D.Comparedwiththetraditionalmeasurementmethod,UAVaerialsurveyhasthecharacteristicsofexquisiteandflexible,highefficiencyofoperationcompletion,fastandaccurate,lowcost,commonapplicationfieldandsoon,andtheproductsitproducesareinadditiontothetraditionalDOM,.ProductssuchasDEM,aswellasproductswithAthree-dimensionalmodelwithveryhighreductiondegree[2].Thisthree-dimensionalmodelcanbeusedforemergencytreatmentofsuddendisasters,displayoftouristattractions,nationallarge-scaleinfrastructureengineeringsurvey,digitalcityconstruction,civilelectronicthree-dimensionalmapandhigh-precisionnavigationmapofunmannedvehicle,andsoon.Basedonthebasicknowledgeandprincipleofman-machineaerialsurvey,thispaperusesthesequenceimageobtainedbyUAVtocompletethebasicprocessingofUAVaerialsurveytogeneratesurveyingandmappingproductsandtocarryout3Dmodelingatthesametime.Inthispaper,basedontheprofessionalUAVaerialsurveydataprocessingsoftwarePix4DandPhotoscan,theexperimentalanalysisof3Dmodelreconstructioniscarriedout,andthedataprocessingandmodeleffectofthetwosoftwarearecarriedout.Andtheaccuracyiscomparedandanalyzed.Keywords:UAV,three-dimensionalreconstruction,sequenceimage

目錄1緒論11.1研究背景和意義11.1.1研究背景11.1.2研究意義21.2無人機(jī)航測技術(shù)的現(xiàn)狀21.2.1無人機(jī)的現(xiàn)狀21.2.2航測技術(shù)的現(xiàn)狀31.3研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)32無人機(jī)航測原理52.1無人機(jī)航測的技術(shù)原理52.2無人機(jī)航測的作業(yè)流程52.3攝影測量學(xué)的定義62.4攝影測量學(xué)的基礎(chǔ)理論62.4.1攝影測量坐標(biāo)系62.4.2方位元素72.4.3三大定向82.4.4共線方程92.5解析空中三角測量112.5.1原理、目的和意義112.5.2解析空中三角測量的方法113三維模型重建實(shí)驗(yàn)143.1三維模型重建技術(shù)流程143.2無人機(jī)航拍測量作業(yè)143.2.1作業(yè)前準(zhǔn)備143.2.2外業(yè)飛行作業(yè)步驟183.3軟件數(shù)據(jù)處理213.3.1基于Pix4D的三維建模213.3.2基于PhotoScan的三維建模283.4三維模型重建實(shí)驗(yàn)精度分析343.4.1三維模型外觀對比343.4.2檢查點(diǎn)精度對比403.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論414結(jié)論與展望42參考文獻(xiàn)43致謝45

緒論1.1研究背景和意義1.1.1研究背景這幾年來，隨著電子計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的陸續(xù)成熟，測繪儀器（水準(zhǔn)儀、全站儀、RTK）的核心制造技術(shù)以及四大衛(wèi)星系統(tǒng)（美國的“GPS”、俄羅斯的“GLONASS”、歐洲的“Galileo”、中國的“BDS”）的衛(wèi)星不斷完善，測繪行業(yè)正在不斷往“數(shù)據(jù)化”、“現(xiàn)代化”、“全面化”發(fā)展，這也意味著以往被廣大測繪工作人群所詬病的外業(yè)測量方式即將發(fā)生改變。傳統(tǒng)的外業(yè)測量方式往往是一個(gè)小組扛著沉重的儀器出發(fā)，在烈日下暴曬工作一整天且作業(yè)效率低重復(fù)作業(yè)率高。而新時(shí)代全新的測量方式—航空攝影測量，則大大改善了傳統(tǒng)外業(yè)測量的缺點(diǎn)，它至少只需要兩個(gè)人、一臺飛機(jī)和定制的機(jī)載攝像頭，只需要短短的一兩個(gè)小時(shí)的飛行拍攝即可以回到室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，大大減少外業(yè)工作時(shí)間且數(shù)據(jù)成果精度完全符合生產(chǎn)要求；但是，傳統(tǒng)的航空攝影測量受天氣條件以及飛機(jī)起飛環(huán)境條件限制較大，且其對于搭載專業(yè)攝像頭負(fù)責(zé)攝影的飛機(jī)要求相對較高導(dǎo)致測量作業(yè)成本較大，從而致使航空攝影測量在新時(shí)代的普遍率較低。但隨著近幾年國內(nèi)外無人機(jī)技術(shù)的成熟以及史無前例的無人機(jī)應(yīng)用的火爆，眾多知名無人機(jī)廠商專門為測量所研發(fā)的無人機(jī)都基本可以滿足航空攝影測量的需求。這種以無人機(jī)作為空中攝影平臺的新型攝影測量也被稱為無人機(jī)航測。無人機(jī)，即是通過電磁波設(shè)備以及專業(yè)的軟件程序來進(jìn)行控制操作的小型不可載人飛機(jī)。它自帶小巧靈活、應(yīng)用方便、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)。而無人機(jī)航測在無人機(jī)的基礎(chǔ)上與傳統(tǒng)測量相比，擁有靈敏機(jī)動(dòng)、高效迅速、精度準(zhǔn)確、所需成本低、應(yīng)用范圍廣泛、作業(yè)周期短等優(yōu)勢。無人機(jī)航測技術(shù)是由空中攝影、地表控制站、內(nèi)部數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分所組成的[3]?？罩袛z影部分主要包括飛機(jī)、高清數(shù)碼相機(jī)及全自動(dòng)智能駕駛儀，用于完成在空中進(jìn)行攝影測量的工作；現(xiàn)在市場上絕大多數(shù)行業(yè)級應(yīng)用無人機(jī)已經(jīng)內(nèi)置自動(dòng)駕駛儀的功能，且還能成為高清數(shù)碼相機(jī)的掛載平臺。地表控制站部分主要通過無人機(jī)遠(yuǎn)端控制、地表運(yùn)輸以及數(shù)據(jù)傳輸與接收所構(gòu)成，它用于進(jìn)行無人機(jī)遠(yuǎn)程控制、接收信號等工作。內(nèi)部數(shù)據(jù)處理主要包含飛行路線計(jì)劃、影響精度檢查及數(shù)據(jù)解算軟件，用于完成外業(yè)飛行工作時(shí)航線定制和內(nèi)業(yè)工作時(shí)數(shù)據(jù)處理。1.1.2研究意義在如今科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，越來越多場景或行業(yè)需要用到精度不一的三維模型，如旅游觀光、重大災(zāi)難應(yīng)急處理、大型建筑物高精度施工、公路鐵路線路系統(tǒng)布設(shè)等等。這些場景絕大多數(shù)都有幾個(gè)共同點(diǎn)就是路途遙遠(yuǎn)、現(xiàn)場環(huán)境情況復(fù)雜等，受成本和效率等因素所限幾乎不可能通過人力直接到現(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)來進(jìn)行建模；而無人機(jī)航測技術(shù)適用于多種地形環(huán)境的野外測量,且其具有反應(yīng)能力迅速、時(shí)效性和性價(jià)比突出、外部限制因素較少、地表數(shù)據(jù)獲取較快、三維建模能力較強(qiáng)、人工勞動(dòng)強(qiáng)度較低等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著無人機(jī)硬件價(jià)格的不斷下探，配套應(yīng)用方案整合日趨成熟，越來越多的測繪工作單位開始使用無人機(jī)航測技術(shù)來接下一個(gè)又一個(gè)的三維建模項(xiàng)目；同時(shí)也加速了傳統(tǒng)測繪成果從二維轉(zhuǎn)向三維的步伐，使測繪成果更加多樣化和現(xiàn)代化，推進(jìn)了測繪行業(yè)從數(shù)字測圖時(shí)代邁向大數(shù)據(jù)時(shí)代。在未來十年內(nèi)，無人機(jī)航測技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用將得到大大拓展并將逐步取代大部分常規(guī)的人工野外測量工作。因此，當(dāng)今研究和探討通過無人機(jī)航測技術(shù)來進(jìn)行三維建模的方向十分符合未來的發(fā)展需要。1.2無人機(jī)航測技術(shù)的現(xiàn)狀1.2.1無人機(jī)的現(xiàn)狀現(xiàn)今無人機(jī)主要分為消費(fèi)級無人機(jī)和測繪無人機(jī)。消費(fèi)級無人機(jī)是指普通民眾或政府單位只用于照片拍攝或視頻錄制的飛機(jī)；此類無人機(jī)比較輕巧且不會(huì)內(nèi)置RTK定位天線，其所搭載的鏡頭比較一般，價(jià)格較低。測繪無人機(jī)是指專門提供給測繪單位進(jìn)行無人機(jī)航空攝影測量的飛機(jī)；此類無人機(jī)體積稍大且內(nèi)置RTK定位天線，其所搭載的鏡頭像素較高，價(jià)格相比消費(fèi)級無人機(jī)較高。目前，法國的Parrot、我國的大疆以及美國的3DRobotics這三大品牌是在全球消費(fèi)級無人機(jī)領(lǐng)域中最受歡迎的品牌；諸如大疆的精靈（Phantom）系列、3DRobotics的Solo系列、Parrot的Bebop系列等都是國內(nèi)外市場上銷量和評論相對不錯(cuò)的消費(fèi)級無人機(jī)。而在測繪無人機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，除了上述所說的三大知名品牌外還有美國的Trimble、我國的中海達(dá)、南方測繪等老牌測繪儀器裝備制造廠家都推出了數(shù)款專門針對測繪行業(yè)所定制的無人機(jī)?，F(xiàn)有的無人機(jī)根據(jù)漿翼的不同可分作多旋翼、固定翼、復(fù)合翼這三種。多旋翼無人機(jī)是指有多個(gè)螺旋槳的飛行器，主要是通過改變螺旋槳上的電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來使旋翼升力產(chǎn)生變化從而控制飛機(jī)，起飛降落方式為垂直上升和下降。固定翼無人機(jī)是指機(jī)翼固定在機(jī)身上且沒有螺旋槳的飛機(jī)，主要是通過空氣對機(jī)翼的作用力以及機(jī)翼自身的調(diào)節(jié)使升力產(chǎn)生變化而控制飛機(jī)，起飛降落方式一般為彈射起飛和降落傘降落。復(fù)合翼無人機(jī)是指同時(shí)擁有固定機(jī)翼和螺旋槳的飛機(jī)，起飛降落只通過螺旋槳工作來進(jìn)行垂直起飛升降，飛行過程中只通過固定機(jī)翼來控制升力。多旋翼無人機(jī)相比固定翼無人機(jī)體積較小更易攜帶、價(jià)格較低、起飛降落場地條件要求低，但續(xù)航時(shí)間和飛行距離較短。現(xiàn)絕大多數(shù)測繪單位都是使用多旋翼無人機(jī)作業(yè)為主，固定翼無人機(jī)則進(jìn)行個(gè)別區(qū)域較大的工程作業(yè)；而復(fù)合翼無人機(jī)現(xiàn)還尚不成熟，能用于穩(wěn)定作業(yè)的飛機(jī)只有少數(shù)，目前還不足以在市場上適用于絕大多數(shù)的測繪場景。1.2.2航測技術(shù)的現(xiàn)狀航空攝影測量指的是在航空器（飛機(jī)、直升機(jī)、飛艇、氣球、滑翔傘等）上用航攝儀器（目前大多數(shù)為數(shù)碼相機(jī)）對地面持續(xù)攝取影像，組合已有控制點(diǎn)進(jìn)行測量，描繪出一幅擁有完整要素地形圖的流程。航空中拍攝的目的是為了獲取指定范圍內(nèi)、一定比例尺和重疊度的航空影像。近幾年來，航空攝影測量技術(shù)在常規(guī)大型基礎(chǔ)建設(shè)測量、應(yīng)對大型突發(fā)自然災(zāi)害、數(shù)字化城市建設(shè)、國土資源調(diào)查等工程上，已經(jīng)有了相當(dāng)可觀的應(yīng)用范圍。航空攝影測量技術(shù)在我國已經(jīng)經(jīng)歷了相當(dāng)長一段時(shí)間的技術(shù)發(fā)展以及擁有較為豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累[4]。而無人機(jī)結(jié)合航空攝影測量技術(shù)的可能，將會(huì)給測繪行業(yè)帶來一個(gè)全新的發(fā)展前景[5]。1.3研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)本課題研究主要內(nèi)容是通過采用大疆多旋翼無人機(jī)和多鏡頭相機(jī)進(jìn)行無人機(jī)序列圖像的采集，通過兩款專業(yè)建模軟件Pix4D和PhotoScan來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理最終生成該范圍的三維模型，并且對所生成的三維模型進(jìn)行多角度的評價(jià)，諸如該三維模型外觀上與現(xiàn)實(shí)的對比、該三維模型上的某幾個(gè)檢查點(diǎn)與實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行精度對比等等。而通過這個(gè)三維模型重建的研究，首先可以深層次體驗(yàn)和了解如何將無人機(jī)航空攝影的影像從實(shí)地采集到最后生成三維模型的一系列過程；其次通過使用不同的專業(yè)三維建模軟件進(jìn)行作業(yè)，來對比出不同軟件的優(yōu)缺點(diǎn)以及所建模型的特點(diǎn)；最后通過該三維重建的研究，總結(jié)得出目前使用無人機(jī)序列圖像進(jìn)行三維建模的可行程度以及未來的技術(shù)方向。本文的構(gòu)成分為五大部分；第一部分介紹本文的研究背景、意義及國內(nèi)外無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)研究現(xiàn)狀；第二部介紹無人機(jī)航測技術(shù)的原理和基礎(chǔ)理論；第三部分介紹該課題的實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第四部分基于世界結(jié)果進(jìn)行分析和討論；第五部分為致謝。

2無人機(jī)航測原理2.1無人機(jī)航測的技術(shù)原理無人機(jī)航測是主要以無人機(jī)為主體，集合航空拍攝、無人機(jī)遠(yuǎn)端操作及圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等多種技術(shù)為一體。該技術(shù)是通過無人機(jī)、專業(yè)多鏡頭航拍相機(jī)、飛行路線規(guī)劃軟件、無人機(jī)飛行地面站控制軟件、機(jī)載圖像傳輸系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等軟硬件的結(jié)合，獲取數(shù)量大及高精度的數(shù)字影像。通過無人機(jī)航飛所獲取的高清數(shù)字影像，再結(jié)合現(xiàn)有的專業(yè)級航測數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理，最終生成測繪行業(yè)甚至其他行業(yè)所需的高精度的2D或3D地圖產(chǎn)品。2.2無人機(jī)航測的作業(yè)流程無人機(jī)航測的主要作業(yè)步驟為飛行路線提前規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)及測量、無人機(jī)外業(yè)飛行攝影、全數(shù)字空中三角測量、野外檢查點(diǎn)實(shí)測質(zhì)量檢核。其中全數(shù)字空中三角測量更是在傳統(tǒng)的攝影測量基礎(chǔ)上所發(fā)展的一門全新數(shù)據(jù)解算方法。圖2.1無人機(jī)航測技術(shù)作業(yè)流程圖2.3攝影測量學(xué)的定義攝影測量學(xué)是利用高清攝影機(jī)攝取像片，通過采集像片來生成想要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并根據(jù)這些產(chǎn)品來探討和確定所拍物體的大小、形狀、方位和相互關(guān)系的一門科學(xué)技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)有的無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，通俗來說攝影測量學(xué)就是一門研究并實(shí)現(xiàn)將無人機(jī)上所拍攝的中心投影的航攝像片轉(zhuǎn)換成為正射投影的數(shù)據(jù)產(chǎn)品的科學(xué)與技術(shù)；其通過對無人機(jī)航拍影像使用專業(yè)的軟件進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)和圖像處理后，實(shí)現(xiàn)在不接觸被攝物體的情況下量測得到其準(zhǔn)確的空間三維坐標(biāo)。從像片上像點(diǎn)的三維坐標(biāo)到實(shí)際地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)這一系列過程經(jīng)歷了不同的攝影測量坐標(biāo)系之間的數(shù)次轉(zhuǎn)換，并且在無人機(jī)航拍后像片處理過程中運(yùn)用了數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)像片像點(diǎn)和實(shí)地物點(diǎn)的一一對照，從而達(dá)到利用像片來對被攝物目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確三維坐標(biāo)量測的目的。不同的攝影測量坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換過程如下圖所示：圖2.2攝影測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換圖2.4攝影測量學(xué)的基礎(chǔ)理論2.4.1攝影測量坐標(biāo)系在攝影測量作業(yè)中使用較為廣泛的坐標(biāo)系有兩大類，它們分別是：1、像方坐標(biāo)系：像平面坐標(biāo)系、像空間坐標(biāo)系、像空間輔助坐標(biāo)系[6]。2、物方坐標(biāo)系：地面攝影測量坐標(biāo)系、地面測量坐標(biāo)系。（1）像平面坐標(biāo)系（O-xy）像平面坐標(biāo)系是右手直角坐標(biāo)系。在該坐標(biāo)系中，通常將攝影方向與影像平面的交點(diǎn)稱為該坐標(biāo)系的原點(diǎn)即影像的像主點(diǎn)，x軸是框標(biāo)坐標(biāo)系與航線方向一致的連線，y軸與x軸平面垂直，方向與框標(biāo)坐標(biāo)系的方向一致，其主要作用是用影像內(nèi)的平面直角坐標(biāo)系來表示像片中像點(diǎn)的平面位置[7]。（2）像空間坐標(biāo)系（S-xyz）為了將像點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到空間三維坐標(biāo)，需額外再建立一個(gè)能夠描述其位置的三維坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系就是像空間坐標(biāo)系。在這個(gè)坐標(biāo)系中，每個(gè)像點(diǎn)的z坐標(biāo)都等于-f，而x和y坐標(biāo)也就是像點(diǎn)的像平面中的坐標(biāo)，因此，像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)表示為（x，y，-f）[8]。像空間坐標(biāo)系是通過像片所在的位置來決定它自己的位置。故每張像片上所假設(shè)的像空間坐標(biāo)系是相互獨(dú)立互不干擾的。（3）像空間輔助坐標(biāo)系（S-uvw）像空間輔助坐標(biāo)系簡稱“像空輔”，是一種過渡的右手直角坐標(biāo)系，它是用來表示像點(diǎn)在像方空間位置的，在像空間輔助坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)仍在攝影中心S上，X軸仍為航線方向，以航飛時(shí)與地面鉛垂的方向?yàn)閆軸[9]。（4）地面測量坐標(biāo)系（T-XtY地面測量坐標(biāo)系是用來表示所攝物體在空間內(nèi)的具體位置的左手坐標(biāo)系，通常指地圖投影坐標(biāo)系，也就是國家測圖所用的高斯-克呂格投影的平面直角坐標(biāo)系和高程系，兩者組成的空間直角坐標(biāo)系是符合左手定則的。通過攝影測量技術(shù)求得的地面點(diǎn)坐標(biāo)最后都要以此坐標(biāo)形式的成果展示給客戶。（5）地面攝影測量坐標(biāo)系（D-XYZ）攝影測量坐標(biāo)系是右手直角坐標(biāo)系，它是在像空輔的基礎(chǔ)上建立起來的一種過渡坐標(biāo)系，是物方空間選定的一種符合右手定則的空間直角坐標(biāo)系。它是航帶網(wǎng)中一種統(tǒng)一的坐標(biāo)系，用以表示諸模型點(diǎn)在構(gòu)成航帶網(wǎng)后的統(tǒng)一坐標(biāo)[10]。坐標(biāo)軸通常分別與第一張像片（或第一個(gè)像對）的像空間輔助坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸平行。2.4.2方位元素像片的方位元素分為內(nèi)方位、外方位兩種。1、內(nèi)方位元素內(nèi)方位元素用于確定攝像機(jī)的物鏡的后節(jié)點(diǎn)(即像方)與對應(yīng)像片之間的相互地理位置。還可以利用它進(jìn)行攝影光線束的還原。內(nèi)方位元素是由攝影中心到像片的垂距f和攝影機(jī)像方在像平面的正投影位于框標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（x0，y0）這三個(gè)元素所構(gòu)成。通過對相機(jī)檢校從而得到這些參數(shù)，一般情況下內(nèi)方位元素是已知的2、外方位元素外方位元素是用于確定攝影光線束在攝影時(shí)的空間位置和方向（姿態(tài)）的參數(shù)。外方位元素有6個(gè)參數(shù)，包括拍照中心S在某一空間直角坐標(biāo)系中的3個(gè)線元素Xs、Ys、Zs和用來確定攝影光線束在空中的攝影瞬間姿態(tài)的3個(gè)角元素，如φ、ω、k角。這些外方位元素都是針對著某一個(gè)模型坐標(biāo)系O-XYZ而定義的。2.4.3三大定向在攝影測量數(shù)據(jù)處理中常提及的三大定向分別是單幅影像的內(nèi)定向，兩幅影像間的相對定向，幾何模型的絕對定向。單幅影像的內(nèi)定向也稱為仿射變換，為了獲取影像中所需地物的空間位置信息，先確定其與物點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的像點(diǎn)位置坐標(biāo)。在以往攝影測量數(shù)據(jù)處理的過程中，單幅影像內(nèi)定向是把像片放到專業(yè)儀器的承片盤上度量，度量得到的像點(diǎn)坐標(biāo)只是該專業(yè)儀器的坐標(biāo)，還需通過相關(guān)公式對儀器坐標(biāo)進(jìn)行相似變換，才能獲得以像主點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的像平面坐標(biāo)，一般來說稱此變換過程為傳統(tǒng)攝影測量中的單幅影像內(nèi)定向。隨著計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展，影像像點(diǎn)坐標(biāo)通過數(shù)字方式進(jìn)行量測，數(shù)字化掃描的影像一般在儀器上的位置是隨意擺置的，所量測的像點(diǎn)坐標(biāo)也會(huì)相對應(yīng)的發(fā)生坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這也是單幅影像內(nèi)定向[12]。為了單幅影像內(nèi)定向的順利進(jìn)行，必需先量測影像上框標(biāo)點(diǎn)的掃描坐標(biāo)亦或是儀器坐標(biāo)，再依據(jù)框標(biāo)的理論坐標(biāo)，采取解析并計(jì)算的方式就可獲取所需影像的像點(diǎn)坐標(biāo)。兩幅影像間的相對定向，一般可分為連續(xù)和單獨(dú)相對定向兩種。連續(xù)相對定向指通過根據(jù)水平的左像片，計(jì)算得到右像片在平面上相之于左像片的方位元素，然后將右像片的像對方位元素帶入下一對像對的左像片之中，如此往復(fù)循環(huán)下去，直到測完整條航帶。單獨(dú)像對相對定向是指以立體像對的基線為x軸，相對定向完成后，可以根據(jù)前方交會(huì)公式計(jì)算模型點(diǎn)坐標(biāo)之后就可以根據(jù)控制點(diǎn)文件進(jìn)行絕對定向。而所謂的前方交會(huì)是指利用像片的內(nèi)外方位元素以及像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模型點(diǎn)的位置。幾何模型的絕對位置定向是通過外業(yè)控制點(diǎn)，確定像片由相對定向而建立的模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放在相對于地面坐標(biāo)系統(tǒng)的空間位置。2.4.4共線方程航攝照片所采用的投影是中心投影，傳統(tǒng)地圖所采用的投影是正射投影，這兩者是兩種差異較大的投影；通過攝影所得到的照片信息的處理，將航拍所得的中心投影的影像變成傳統(tǒng)的正射投影的地圖信息，因此急需研究像點(diǎn)與其相對應(yīng)的物點(diǎn)構(gòu)像方程式，即共線方程式。簡單來說就是在理想狀態(tài)下，航空拍攝瞬間像點(diǎn)、投影中心、物點(diǎn)剛好處于同一條直線上，把三點(diǎn)共線作為已知條件最終所表達(dá)的公式稱之為共線條件方程。其條件不僅是各種攝影測量方法的重要理論基礎(chǔ)，也是中心投影中構(gòu)造圖像的相關(guān)基礎(chǔ)。共線方程的推導(dǎo)過程如下：假設(shè)點(diǎn)S為攝像機(jī)拍攝中心，在某一規(guī)定的物方空間坐標(biāo)中它的坐標(biāo)為（Xs，Ys，Zs），而點(diǎn)A為任一物體所在的物方點(diǎn)，它在物方空間坐標(biāo)系中位置為（XA，YA，ZA）。點(diǎn)a為點(diǎn)A在影像中的構(gòu)像，其相應(yīng)的像空間坐標(biāo)為（x，y，-f），而像空間輔助坐標(biāo)為（X，Y，Z）[13]圖2.3中心投影構(gòu)像關(guān)系則像點(diǎn)的像空輔與物點(diǎn)物方空間坐標(biāo)之間的關(guān)系如下圖所示。圖2.4中心投影構(gòu)像方程式圖在上式中：x，y為像點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；x0，y0，f為影像的內(nèi)方位元素；Xs，Ys，Zs為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；XA，YA，ZA像空間坐標(biāo)與像空間輔助坐標(biāo)之間的關(guān)系如下圖所示。圖2.5像空間與像空間輔助坐標(biāo)關(guān)系圖共線方程是攝影測量數(shù)據(jù)處理中重要程度最高的解析代數(shù)關(guān)系式，其在攝影測量領(lǐng)域中都得到廣泛的運(yùn)用。比如說航拍像片模擬、單張影像空間的后方交會(huì)、多張影像空間的前方交會(huì)、數(shù)字投影的基礎(chǔ)、使用光束法進(jìn)行平差的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型以及利用DEM進(jìn)行單一像片測圖并制作DOM等。2.5解析空中三角測量2.5.1原理、目的和意義解析空中三角測量指通過公式計(jì)算的方式，根據(jù)所拍像片中量測得到的像點(diǎn)坐標(biāo)及少量的野外控制點(diǎn)，使用相對嚴(yán)密的帶最小二乘法定理的數(shù)學(xué)公式，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，用電子計(jì)算機(jī)解算未知點(diǎn)的平面位置和高程的測量方法[15]。解析空中三角測量的意圖是為測繪地形圖作業(yè)時(shí)提供帶有絕對定向的控制點(diǎn)及像片定向變量；測取一定區(qū)域內(nèi)界址點(diǎn)的一致的坐標(biāo)；單元模型中對于眾多地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的解算；近景解析攝影測量及非地表形狀的攝影測量。大地測量學(xué)測量地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的方法具有悠久的歷史和重要的地位。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟及攝影測量學(xué)學(xué)科的穩(wěn)定發(fā)展，通過使用攝影測量的方式來進(jìn)行測量某點(diǎn)的高精度點(diǎn)位是可行的，這亦說明攝影測量將陸續(xù)得到有效的應(yīng)用。甚至在一些困難的項(xiàng)目上，只有攝影測量才能使問題得到有效的解決?？偟膩碚f，使用解析空中三角測量的方法的目標(biāo)有兩個(gè)：第一是在測繪地形圖中對攝影測量進(jìn)行加密；第二是對于有高精度需求的項(xiàng)目對攝影測量進(jìn)行加密，用于各種各樣的應(yīng)用需求。對攝影測量進(jìn)行加密的方法的意義在于：莫須觸碰被量測的物體或目標(biāo)就可以獲取其所在位置和測定其形狀大小；可迅速地在較大區(qū)域內(nèi)同步進(jìn)行像控點(diǎn)測量，從而節(jié)省外業(yè)工作的時(shí)間來提高作業(yè)效率；作業(yè)時(shí)不受視線問題所影響；進(jìn)行攝影測量相關(guān)的平差時(shí)，測區(qū)范圍內(nèi)精度均勻分布，而且極少受區(qū)域形狀大小的影響。2.5.2解析空中三角測量的方法根據(jù)像片上的像點(diǎn)坐標(biāo)(或單元立體模型上點(diǎn)的坐標(biāo))同地面點(diǎn)坐標(biāo)的解析關(guān)系或每兩條同名光線共面的解析關(guān)系，構(gòu)成攝影測量網(wǎng)的空中三角測量[16]。而平差計(jì)算和構(gòu)建攝影測量網(wǎng)等工作基本都是通過計(jì)算機(jī)來協(xié)助完成?，F(xiàn)有的建網(wǎng)方法有多種，但最常用的是光線束法、航帶法以及獨(dú)立模型法。當(dāng)這3種建網(wǎng)方法在只有一條航帶上使用時(shí)，則稱為單一航帶的解析空中三角測量；這3種建網(wǎng)方法也可以通過把多條航帶進(jìn)行連接，形成一個(gè)指定區(qū)域后進(jìn)行集體的平差，這種技術(shù)方式亦可稱為區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，又稱區(qū)域網(wǎng)平差。使用區(qū)域網(wǎng)平差的方法即能夠最大程度的減輕測量人員外業(yè)測量的工作強(qiáng)度以及提高作業(yè)效率，同時(shí)該方法也具備內(nèi)部精度平均分配的好處，所以區(qū)域網(wǎng)平差的方法在廣大攝影測量作業(yè)中應(yīng)用場景最廣。航帶法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，該方法與模擬法空中三角測量新建一個(gè)單航帶的進(jìn)程十分相似，簡單來說即通過計(jì)算相關(guān)模型點(diǎn)的坐標(biāo)以及像片的相對定向參數(shù)先建立一個(gè)三維模型，然后根據(jù)鄰近三維模型之間存在的公共連接點(diǎn)來進(jìn)行三維模型之間的連接計(jì)算，最后建立具有統(tǒng)一比例尺的航帶三維模型。通過這種方法使每一條航線都單獨(dú)地生成相對應(yīng)的航帶三維模型。每一個(gè)航帶三維模型都要分別大致整平并一起放入到相同的三維坐標(biāo)系中，最后在該坐標(biāo)系下對所有航帶三維模型進(jìn)行全體平差運(yùn)算。因此各航帶都要列出其相對應(yīng)的改正公式（非線性，二次或者三次的多項(xiàng)式），參照最小二乘法的準(zhǔn)則來進(jìn)行整體平差的計(jì)算，求出每一條航帶的所需的改正參數(shù)（非線性）[17]。在此計(jì)算過程中不僅需要考慮令鄰近航帶之間所存在的同名點(diǎn)的實(shí)測坐標(biāo)相等，還需要令控制點(diǎn)所在的內(nèi)業(yè)標(biāo)記坐標(biāo)與外業(yè)作業(yè)測量坐標(biāo)一致，進(jìn)而最終獲取到全區(qū)域網(wǎng)完整的加密點(diǎn)的三維坐標(biāo)。獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，首先是通過由每一條航帶內(nèi)互相鄰近的航拍影片建成一個(gè)三維模型作為基礎(chǔ)單元，該獨(dú)立三維模型在單元內(nèi)不作任何修改及糾正。每一個(gè)獨(dú)立的三維模型都可以通過用立體測圖儀或解析法來建立。獨(dú)立模型法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量實(shí)際上即是把所有的獨(dú)立的三維模型統(tǒng)統(tǒng)納入到集體的平差運(yùn)算當(dāng)中。在這個(gè)過程中，每一個(gè)獨(dú)立的三維模型只須作旋轉(zhuǎn)、平移等操作，然后把每一個(gè)控制點(diǎn)和加密點(diǎn)在模型中獲取的三維坐標(biāo)作為觀測變量，使鄰近像片的獨(dú)立三維模型所存在的所有同名點(diǎn)三維坐標(biāo)保持一致，模型中控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)與外業(yè)測量的三維坐標(biāo)一致。在實(shí)際操作中，一般都是將加密點(diǎn)的高程和平面坐標(biāo)分別進(jìn)行解算，這樣子可以最大程度削減計(jì)算機(jī)的工作量和所需的存儲空間。光線束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量，是以三點(diǎn)共線（像點(diǎn)、地面點(diǎn)以及投影中心點(diǎn)）作為基本解算條件，把單張像片作為解算的一個(gè)單元，憑借鄰近像片之間公共部分的點(diǎn)以及實(shí)測控制點(diǎn)，將每張像片上所形成的光束圈連成一個(gè)公共區(qū)域進(jìn)行集體平差，最終獲取到加密點(diǎn)三維坐標(biāo)的方法。通過每張像片上像點(diǎn)的三維坐標(biāo)觀測值就可以羅列出相對應(yīng)的兩個(gè)誤差方程式，根據(jù)最小二乘的準(zhǔn)則進(jìn)行平差解算，得到每張像片上對應(yīng)的6個(gè)外方位元素，分別為像片旋轉(zhuǎn)矩陣中的3個(gè)定向角度以及攝影中心的三維坐標(biāo)的3個(gè)分量，最后求得所有加密點(diǎn)的三維坐標(biāo)?？偟膩砜矗綆Хㄓ?jì)算速率高且方便，對計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量要求也不高，但在運(yùn)算過程中它有可能忽略掉少許系統(tǒng)誤差，因此航帶法整體計(jì)算精度不高。光線束法是基于共線方程的基礎(chǔ)上優(yōu)化所得，因此它平差的邏輯更為嚴(yán)謹(jǐn)，加密后所得的點(diǎn)位精度也是最好的，但由于該方法涉及的未知數(shù)數(shù)量太多，計(jì)算過程漫長且繁雜，對計(jì)算機(jī)硬件要求相對較高。

3三維模型重建實(shí)驗(yàn)3.1三維模型重建技術(shù)流程通過無人機(jī)航拍的影像來制作三維模型的技術(shù)流程可分為兩大部分，第一部分是無人機(jī)航拍測量作業(yè)，第二部分是軟件數(shù)據(jù)處理。（1）無人機(jī)航拍測量作業(yè)作業(yè)前準(zhǔn)備工作：設(shè)備準(zhǔn)備、作業(yè)測區(qū)確定、布設(shè)定量的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)等。外業(yè)作業(yè)步驟：架設(shè)基站、航線規(guī)劃、起飛前檢查、開始飛行、飛行結(jié)束、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等。（2）軟件數(shù)據(jù)處理作業(yè)數(shù)據(jù)的整理：剔除成像質(zhì)量不及格的影像、照片位置信息（POS信息）生成、編寫控制點(diǎn)信息文件等。軟件數(shù)據(jù)解算步驟：新建項(xiàng)目、導(dǎo)入測區(qū)影像、標(biāo)記控制點(diǎn)并載入控制點(diǎn)信息、解析空中三角測量、點(diǎn)云及三角網(wǎng)格生成、三維模型輸出等。圖3.1三維模型重建技術(shù)流程圖3.2無人機(jī)航拍測量作業(yè)3.2.1作業(yè)前準(zhǔn)備1、軟硬件設(shè)備準(zhǔn)備（1）軟件準(zhǔn)備DJIGSPRO地面站應(yīng)用程序（無人機(jī)飛行作業(yè)任務(wù)管理的ipad端應(yīng)用程序）、中海達(dá)比遜傾斜數(shù)據(jù)管理軟件SkyMonitor（無人機(jī)外業(yè)飛行監(jiān)控及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)下載一體化的電腦端軟件）。（2）硬件準(zhǔn)備大疆經(jīng)緯M600PRO六旋翼無人機(jī)及遙控器各一個(gè)、ipad平板電腦一個(gè)、筆記本電腦一臺、中海達(dá)天恒科技T5PRO五鏡頭相機(jī)一個(gè)、中海達(dá)Ubase系列GNSS接收機(jī)兩臺（一臺作為飛行時(shí)的地面基準(zhǔn)站，一臺用于測量控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)）、對中桿一個(gè)、三腳架一個(gè)、基座一個(gè)、工業(yè)噴漆若干瓶、卷尺一個(gè)。圖3.2大疆經(jīng)緯M600PRO六旋翼無人機(jī)圖3.3中海達(dá)天恒科技T5PRO五鏡頭相機(jī)圖3.4中海達(dá)Ubase系列GNSS接收機(jī)圖3.5M600PRO遙控器+ipad平板電腦+DJIGSPRO地面站應(yīng)用程序圖3.6中海達(dá)比遜傾斜數(shù)據(jù)管理軟件SkyMonitor2、作業(yè)測區(qū)確定使用GoogleEarth軟件在線預(yù)覽實(shí)景影像圖，并通過綜合考慮后勾畫出最佳目標(biāo)飛行區(qū)域，導(dǎo)出并保存成KML格式文件。同時(shí)根據(jù)測區(qū)大小和形狀，提前確定所要布設(shè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的有效位置，并在地圖軟件（奧維互動(dòng)地圖軟件、高德地圖、百度地圖等）上標(biāo)識出來以便于進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的布設(shè)。3、布設(shè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)（1）像控點(diǎn)布設(shè)本測區(qū)一共規(guī)劃布設(shè)像控點(diǎn)3個(gè)。像控點(diǎn)用紅色噴漆噴涂，點(diǎn)的尺寸規(guī)格為長寬為70cm*70cm的L型標(biāo)記。使用中海達(dá)Ubase系列GNSS接收機(jī)，選擇移動(dòng)站作業(yè)模式和手簿差分的數(shù)據(jù)鏈模式，通過使用千尋網(wǎng)絡(luò)CORS賬號連接千尋位置服務(wù)器進(jìn)行測量；將對中桿垂直置于像控點(diǎn)上并保持水平不動(dòng)，使對中桿圓水準(zhǔn)氣泡居中并使用手簿進(jìn)行平滑采集10次，記錄數(shù)據(jù)并保存為對應(yīng)點(diǎn)的國家2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。圖3.7像控點(diǎn)現(xiàn)場圖表3.1像控點(diǎn)坐標(biāo)像控點(diǎn)名稱北坐標(biāo)（m）東坐標(biāo)（m）高程（m）kzd12542425.730434849.1145.098kzd62542354.889434921.4196.088kzd72542372.122435022.5736.677注：外業(yè)測量中一共測量了10個(gè)像控點(diǎn)，但是在測區(qū)范圍內(nèi)且有效的像控點(diǎn)只有kzd1、kzd6、kzd7三個(gè)。（2）檢查點(diǎn)布設(shè)本測區(qū)一共規(guī)劃布設(shè)檢查點(diǎn)4個(gè)。由于布設(shè)檢查點(diǎn)的目的是用于檢查所生成的三維模型的位置精度如何并用于對比兩款三維建模軟件的精度，故無須再額外標(biāo)記檢查點(diǎn)，利用測區(qū)內(nèi)馬路上已有的道路標(biāo)記即可。使用中海達(dá)Ubase系列GNSS接收機(jī)，選擇移動(dòng)站作業(yè)模式和手簿差分的數(shù)據(jù)鏈模式，通過使用千尋網(wǎng)絡(luò)CORS賬號連接千尋位置服務(wù)器進(jìn)行測量；將對中桿垂直置于像控點(diǎn)上并保持水平不動(dòng)，使對中桿圓水準(zhǔn)氣泡居中并使用手簿進(jìn)行平滑采集10次，記錄數(shù)據(jù)并保存為對應(yīng)點(diǎn)的國家2000坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。圖3.8檢查點(diǎn)現(xiàn)場圖表3.2檢查點(diǎn)坐標(biāo)檢查點(diǎn)名稱北坐標(biāo)（m）東坐標(biāo)（m）高程（m）jcd32542357.902435043.7296.866jcd42542402.407434938.5565.665jcd52542432.640434866.3795.245jcd62542464.848434882.0535.316注：外業(yè)測量中一共測量了6個(gè)檢查點(diǎn)，但是在測區(qū)范圍內(nèi)且有效的檢查點(diǎn)只有jcd3、jcd4、jcd5、jcd6四個(gè)。3.2.2外業(yè)飛行作業(yè)步驟在嚴(yán)格完成飛行作業(yè)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備后，即可攜帶相關(guān)設(shè)備到實(shí)地按以下步驟有序的進(jìn)行飛行作業(yè)。1、基準(zhǔn)站架設(shè)將中海達(dá)Ubase系列GNSS接收機(jī)架設(shè)在三腳架上，將三腳架置于某一空曠的地方，并且進(jìn)行嚴(yán)格的對中整平，保持三腳架穩(wěn)定且不晃動(dòng)。選擇移動(dòng)站模式和手簿差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈，用手簿對基準(zhǔn)站坐標(biāo)進(jìn)行平滑采集測量。測量完畢后，將儀器切換至靜態(tài)采集模式進(jìn)行持續(xù)的數(shù)據(jù)采集。2、相機(jī)掛載將M600PRO無人機(jī)下端的云臺固定架拆卸且裝上掛載板，通過掛載板上的鎖扣將相機(jī)置于掛載板的下方。將相機(jī)電源線、信號快門線、圖傳信號線等線路在飛機(jī)和相機(jī)之間找到相應(yīng)的孔位連接上。3、航線規(guī)劃將已經(jīng)規(guī)劃好的飛行區(qū)域KML格式文件導(dǎo)入DJIGSPRO軟件中，打開軟件選擇攝影測量2D的作業(yè)模式，確定了該測區(qū)最大高度后，輸入飛行高度為190m，飛行速度為8m/s，完成動(dòng)作為自動(dòng)返航，返航高度為190m，選擇等距拍照模式；在相機(jī)參數(shù)設(shè)置中，像片比例為3:2，白平衡為晴天，畸變糾正功能打開，航向與旁向重疊率均選為80%，邊距設(shè)為0m。圖3.9航線規(guī)劃示意圖4、飛機(jī)端準(zhǔn)備安裝6塊無人機(jī)槳葉及電池并開機(jī)，再開啟相機(jī)電源；操控遙控器進(jìn)行相機(jī)試拍，若聽到咔嚓一聲，即表明相機(jī)試拍成功，相機(jī)功能正常。5、電腦端準(zhǔn)備打開中海達(dá)比遜傾斜數(shù)據(jù)管理軟件SkyMonitor，輸入相機(jī)自帶的電臺編號和基準(zhǔn)站儀器的機(jī)身編號來進(jìn)行連接監(jiān)控。設(shè)置好相機(jī)參數(shù)及基準(zhǔn)站參數(shù)后，打開飛機(jī)返航點(diǎn)刷新功能（飛機(jī)刷新現(xiàn)有位置作為返航點(diǎn)）并等候約90s，若軟件提示返航點(diǎn)刷新成功即可準(zhǔn)備起飛。6、起飛前檢查確認(rèn)天氣狀況是否良好（無下雨和霧霾且風(fēng)力等級小于5級），對飛機(jī)槳葉、電池、相機(jī)掛載的穩(wěn)固性進(jìn)行檢查，并最終確認(rèn)飛機(jī)起飛環(huán)境無干擾且安全后即可確認(rèn)起飛。7、開始飛行確認(rèn)所有設(shè)備功能正常、連接狀態(tài)良好、無人為或氣候條件影響后，在DJIGSPRO軟件界面中點(diǎn)擊右上角飛機(jī)狀按鍵，確認(rèn)若干項(xiàng)提醒后，即可開始一鍵起飛，全程自動(dòng)化作業(yè)。8、飛行結(jié)束當(dāng)作業(yè)完成后，飛機(jī)會(huì)自動(dòng)返航并自動(dòng)降落至返航點(diǎn)附近。9、數(shù)據(jù)下載在中海達(dá)比遜傾斜數(shù)據(jù)管理軟件SkyMonitor上，在數(shù)據(jù)歸集界面下載基準(zhǔn)站和移動(dòng)站（即無人機(jī)）在靜態(tài)模式所采集的數(shù)據(jù)文件以及相機(jī)所拍攝的照片。10、數(shù)據(jù)解算將電腦拿到室內(nèi)并接上電源，根據(jù)剛剛所下載的靜態(tài)數(shù)據(jù)文件和照片，在中海達(dá)比遜傾斜數(shù)據(jù)管理軟件SkyMonitor上打開PPK解算界面進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、參數(shù)設(shè)置后最終生成所有拍攝照片的位置信息文件（即POS信息）。圖3.10照片POS信息3.3軟件數(shù)據(jù)處理當(dāng)控制點(diǎn)信息、檢查點(diǎn)信息、照片及其照片位置信息都全部獲取并整理好后，即可開始內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理從而獲取最終的三維模型。本次三維模型重建的實(shí)驗(yàn)使用了兩款建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并最終生成三維模型，分別是Pix4D和PhotoScan。3.3.1基于Pix4D的三維建模1、軟件簡介Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司旗下的一款軟件產(chǎn)品，它是目前航測數(shù)據(jù)處理市場上僅有的智能、高效、高精度的一款優(yōu)秀無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理軟件。零基礎(chǔ)或非專業(yè)人士，亦可通過它將大規(guī)模的無人機(jī)影像制作成高精度的正射影像和3D模型。Pix4Dmapper的出現(xiàn)讓攝影測量邁入一個(gè)嶄新的時(shí)代；在這個(gè)時(shí)代里，航測影像處理的整個(gè)過程將自動(dòng)化，專業(yè)化，簡單化，使無人機(jī)成為專業(yè)化高精度的測量設(shè)備成為了可能。通過簡單步驟化的操作，無需相關(guān)知識，操控飛機(jī)的人就能夠處理和查看結(jié)果，并把結(jié)果發(fā)送給客戶或數(shù)據(jù)處理部門，大大降低了操作無人機(jī)進(jìn)行攝影測量的技術(shù)門檻。Pix4Dmapper能通過軟件自動(dòng)進(jìn)行空中三角測量計(jì)算獲取原始影像的絕對定向所需參數(shù)。而且它能自動(dòng)根據(jù)所建工程項(xiàng)目生成對應(yīng)的精度報(bào)告反饋，可以迅速且高效的評估所生成結(jié)果的質(zhì)量情況；報(bào)告中還附帶了仔細(xì)的的空三、所布設(shè)像控點(diǎn)的點(diǎn)位精度。Pix4Dmapper只憑所拍影像中自帶的定位信息，就可全程自動(dòng)化操作，莫須人工進(jìn)行數(shù)據(jù)交互處理。2、數(shù)據(jù)處理步驟（1）新建工程打開Pix4Dmapper，點(diǎn)擊新項(xiàng)目，在所彈出來的消息框中設(shè)置該項(xiàng)目的屬性，輸入該項(xiàng)目名字，并設(shè)置存儲路徑，然后點(diǎn)擊下一步。圖3.11新建項(xiàng)目（2）導(dǎo)入照片點(diǎn)擊添加圖像，找到照片所存放的路徑并選擇加入的影像。照片和該項(xiàng)目可以不存放在同一個(gè)路徑之下，但是存放照片的路徑不能包含中文（即文件夾和磁盤名字不能帶中文）。照片完成后，可以查看導(dǎo)入數(shù)量是否正確，若正確則可點(diǎn)擊下一步；若不正確點(diǎn)擊清除列表再重新選擇照片。圖3.12添加圖像（3）設(shè)置圖像屬性圖像坐標(biāo)系：設(shè)置照片POS信息所在坐標(biāo)系，默認(rèn)的POS信息所在坐標(biāo)系為WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系，故此處不用修改。地理定位及精度：用于導(dǎo)入照片所對應(yīng)的POS信息。點(diǎn)擊“從文件中”的按鈕，選導(dǎo)入對應(yīng)照片的POS信息；當(dāng)全部照片都有對應(yīng)的POS信息時(shí)，地理定位圖像后的兩個(gè)數(shù)字將會(huì)一致。相機(jī)型號：用于設(shè)置相機(jī)具體參數(shù)。一般軟件都能夠根據(jù)所導(dǎo)入的照片屬性來識別影像相機(jī)模型。確認(rèn)完各項(xiàng)信息輸入無錯(cuò)漏后，點(diǎn)擊下一步。圖3.13設(shè)置圖像屬性（4）輸出產(chǎn)品及坐標(biāo)系設(shè)置因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)是要生成三維模型，故在處理選項(xiàng)模板這里選擇3D模型，然后點(diǎn)擊下一步。圖3.14處理模板選擇點(diǎn)擊高級坐標(biāo)系選項(xiàng)，再點(diǎn)擊已知坐標(biāo)系，點(diǎn)擊從列表，在這里選擇三維模型所自帶的坐標(biāo)系。因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)所用的控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)坐標(biāo)均為國家2000坐標(biāo)系，故輸出的模型坐標(biāo)系也要選擇CGCS2000；且廣州處于中央子午線為東經(jīng)114度的3度帶內(nèi)。確認(rèn)無誤后，最后點(diǎn)擊結(jié)束則該項(xiàng)目設(shè)置完成，下一步可以標(biāo)記控制點(diǎn)。圖3.15輸出坐標(biāo)系的選擇（5）標(biāo)記控制點(diǎn)打開控制點(diǎn)編輯器，點(diǎn)擊導(dǎo)入像控點(diǎn)，將本次實(shí)驗(yàn)所用的三個(gè)像控點(diǎn)信息導(dǎo)入并選擇正確的格式；然后選擇平面編輯器，在多張照片上標(biāo)記出像控點(diǎn)的位置（一般一個(gè)像控點(diǎn)在3-4張照片標(biāo)記即可）。圖3.16標(biāo)記控制點(diǎn)（6）數(shù)據(jù)處理在標(biāo)記完控制點(diǎn)后，打開本地處理窗口，點(diǎn)擊開始。軟件則開始自動(dòng)化的空三測量計(jì)算、點(diǎn)云的匹配及生成、三角網(wǎng)格的生成、紋理的生成直至最后生成三維模型。其中軟件在完成處理后會(huì)自動(dòng)生成質(zhì)量報(bào)告，以便查看各個(gè)像控點(diǎn)精度，本次處理各像控點(diǎn)精度都滿足要求。圖3.17本地處理窗口圖3.18像控點(diǎn)精度報(bào)告圖3.19三維模型輸出圖3.3.2基于PhotoScan的三維建模1、軟件簡介PhotoScan是來自俄羅斯的AgisoftLLC公司旗下的一款三維建模軟件產(chǎn)品，它是一個(gè)在已有影像的基礎(chǔ)上采用半人工半自動(dòng)模式的生成高精度三維模型的優(yōu)異三維實(shí)景建模軟件。它的出現(xiàn)無疑是給廣大需要三維建模的人群提供了一個(gè)新的優(yōu)秀選擇。使用PhotoScan時(shí)不需要設(shè)置任何初始參數(shù)，也不需要對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，它在已有的多維視角三維重建技術(shù)的基礎(chǔ)下研發(fā)出全新的方法。PhotoScan可以在沒有任何控制點(diǎn)的情況下對照片進(jìn)行處理，而如果輸入了精確的控制點(diǎn)坐標(biāo)則可以生成具有準(zhǔn)確坐標(biāo)的高精度三維模型。它所用的照片對拍攝位置無硬性要求，所以無論是數(shù)碼相機(jī)攝影還是無人機(jī)航拍的照片均可以在PhotoScan上使用。PhotoScan整個(gè)數(shù)據(jù)處理的過程都是全自動(dòng)化的，包括內(nèi)定向、三維建模等等。PhotoScan也可以生成高清的真正射影像（如果有準(zhǔn)確控制點(diǎn)的情況下精度可達(dá)5cm以內(nèi)）及帶真實(shí)顏色紋理的數(shù)字高程模型。PhotoScan具有一系列自動(dòng)化的數(shù)據(jù)處理及解算流程，所以非相關(guān)用戶亦可以通過在一臺電腦上一次性處理大區(qū)域多架次的航拍影像，生成高精度還原度高的三維模型。2、數(shù)據(jù)處理步驟（1）新建工程由于photoscan一打開就已經(jīng)默認(rèn)新建一個(gè)工程了，所以只需要直接選擇路徑保存文件格式為psx的項(xiàng)目即可。圖3.20新建工程（2）導(dǎo)入照片在軟件的菜單欄中點(diǎn)擊工作流程，再點(diǎn)擊添加照片，選擇照片所在路徑將照片全部導(dǎo)入即可。圖3.21導(dǎo)入照片（3）對齊照片照片導(dǎo)入完成后，在工作流程中單擊對齊照片。在彈出的消息框中，選擇精度為中，其余為默認(rèn)選項(xiàng)（精度越高，軟件所需的處理時(shí)間越久）。圖3.22對齊照片（4）添加控制點(diǎn)在軟件左下角從工作區(qū)切換到參考界面，先選擇一張帶有控制點(diǎn)的照片（控制點(diǎn)在此照片上須清晰可見全，且居于照片的中心位置附近），在照片預(yù)覽窗口中放大找到控制點(diǎn)的位置右鍵添加標(biāo)記，然后在標(biāo)記窗口處對所標(biāo)記的點(diǎn)輸入正確的控制點(diǎn)點(diǎn)名和坐標(biāo)。一個(gè)控制點(diǎn)只需在一張照片上標(biāo)記即可，且一張照片可以標(biāo)記多個(gè)控制點(diǎn)；某個(gè)控制點(diǎn)標(biāo)記完成后，其他照片將會(huì)同步顯示該標(biāo)記（若該控制點(diǎn)在其他照片上出現(xiàn)）。最后點(diǎn)擊優(yōu)化圖片對齊方式，對添加完控制點(diǎn)的圖像進(jìn)行優(yōu)化。圖3.23添加標(biāo)記（5）生成點(diǎn)云在工作流程中點(diǎn)擊生成密集點(diǎn)云，在所彈出的消息框中，質(zhì)量一樣選擇中，其余為默認(rèn)選項(xiàng)。（精度越高，軟件所需的處理時(shí)間越長；且這一步軟件計(jì)算量相當(dāng)大，十分耗時(shí)）。圖3.24設(shè)置生成點(diǎn)云參數(shù)圖3.25密集點(diǎn)云圖3.26密集點(diǎn)云屬性（6）生成網(wǎng)格在工作流程中點(diǎn)擊生成網(wǎng)格，在彈出的提示框中，面數(shù)選擇中，其余為默認(rèn)選項(xiàng)。（面數(shù)越多，軟件所需的處理時(shí)間越長；且這一步軟件計(jì)算量相當(dāng)大，十分耗時(shí)）。圖3.27設(shè)置生成網(wǎng)格參數(shù)圖3.28網(wǎng)格屬性（7）生成紋理網(wǎng)格生成完畢后，大致的三維模型已經(jīng)成形，但還缺少照片所映射的紋理。在工作流程中點(diǎn)擊生成紋理，在彈出的提示框中，按照默認(rèn)選項(xiàng)進(jìn)行。當(dāng)紋理生成完畢后，整個(gè)帶有真實(shí)坐標(biāo)的三維模型則生成完畢。圖3.29生成紋理圖3.30紋理屬性圖3.31三維模型輸出圖3.4三維模型重建實(shí)驗(yàn)精度分析3.4.1三維模型外觀對比（1）地物實(shí)景圖圖3.32大樓正面圖圖3.33大樓側(cè)面圖圖3.34大樓背面圖圖3.35大樓俯視圖（2）Pix4D三維模型圖圖3.36Pix4D三維模型正面圖圖3.37Pix4D三維模型側(cè)面圖圖3.38Pix4D三維模型背面圖圖3.39Pix4D三維模型俯視圖從外觀上4個(gè)方向綜合來看，Pix4D所生成的三維模型還原大樓的細(xì)節(jié)都還不錯(cuò)，具備一定的立體感，具體的門、窗、陽臺的線條都能勾勒出來；但模型正面的大樓之間出現(xiàn)多余的連接狀物體，與大樓實(shí)際輪廓具有較大差異，且背面涂抹區(qū)域較大。（3）PhotoScan三維模型圖圖3.40PhotoScan三維模型正面圖圖3.41PhotoScan三維模型側(cè)面圖圖3.42PhotoScan三維模型背面圖圖3.43PhotoScan三維模型俯視圖從外觀上4個(gè)方向綜合來看，PhotoScan所生成的三維模型能還原出大樓的整體輪廓，模型背面整體還原的不錯(cuò)；但具體的門、窗、陽臺不具備線條感，模型正面處更是帶有一大片涂抹區(qū)域，整體立體感不強(qiáng)。3.4.2檢查點(diǎn)精度對比本次實(shí)驗(yàn)使用了jcd3、jcd4、jcd5、jcd6一共4個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行三維模型的點(diǎn)位精度比較。詳細(xì)坐標(biāo)及點(diǎn)位誤差如下表3.3所示。表3.3檢查點(diǎn)點(diǎn)位精度分析表類別點(diǎn)名X坐標(biāo)（m）Y坐標(biāo)（m）Z坐標(biāo)（m）X殘差（m）Y殘差（m）Z殘差（m）外業(yè)檢查點(diǎn)測量jcd3435043.7292542357.9026.866———jcd4434938.5562542402.4075.665———jcd5434866.3792542432.6405.245———jcd6434882.0532542464.8485.316———Pix4D三維模型jcd3435043.5402542358.0306.990-0.1890.1280.124jcd4434938.5102542402.4405.830-0.0460.0330.165jcd5434866.3702542432.5505.300-0.009-0.0900.055jcd6434882.0502542464.7705.490-0.003-0.0780.186PhotoScan三維模型jcd3435043.3082542357.9845.948-0.4210.082-0.918jcd4434938.4962542402.3395.447-0.060-0.068-0.218jcd5434866.5052542432.6665.1550.1260.026-0.090jcd6434882.3132542464.8564.9570.2600.008-0.359從精度分析表上觀察得知，Pix4D生成的三維模型比PhotoScan生成的精度更佳且更穩(wěn)定。兩款軟件所生成的三維模型主要都在高程精度上出現(xiàn)較大的偏差，且會(huì)出現(xiàn)個(gè)別點(diǎn)偏離較嚴(yán)重，但是Pix4D生成的三維模型整體點(diǎn)位偏差更小。3.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以從數(shù)據(jù)處理、模型外觀、檢查點(diǎn)精度三方面來分析。從數(shù)據(jù)處理流程來分看，兩款軟件的特點(diǎn)都十分明顯。Pix4D數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為一天，整體步驟和所要設(shè)置的參數(shù)稍多，且對于標(biāo)記控制點(diǎn)的要求更高，結(jié)果生成之后也擁有詳細(xì)的精度報(bào)告。PhotoScan數(shù)據(jù)處理時(shí)間約為8小時(shí)，整體步驟和所要設(shè)置的參數(shù)略少，標(biāo)記控制點(diǎn)的過程相對簡單。從外觀上來看，兩款軟件生成的三維模型各有優(yōu)缺點(diǎn)。Pix4D生成的三維模型基本上能還原出大樓正面、側(cè)面、頂部的一些廣告牌、門窗、陽臺等細(xì)節(jié)；但整個(gè)模型的輪廓還原度較差，甚至在兩個(gè)大樓的模型之間出現(xiàn)連接物，而實(shí)景中兩個(gè)大樓是獨(dú)立無任何連接的公共設(shè)施。PhotoScan生成的三維模型基本上能還原出大樓的整體輪廓，大樓背面的層數(shù)、門窗、陽臺等也能觀察出來；但其模型總體的細(xì)節(jié)紋理還原的很差，其模型的正面更是直接被軟件涂抹掉，模型總體顯示出來的立體感不夠強(qiáng)烈。從檢查點(diǎn)精度分析來看，Pix4D生成的三維模型具備更高的點(diǎn)位精度。Pix4D生成的三維模型中4個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)的殘差沒有一項(xiàng)是超過20cm的；而PhotoScan生成的三維模型中4個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)的殘差則有5項(xiàng)超過20cm，其中還有一項(xiàng)誤差達(dá)到92cm之大。兩款軟件所生成的三維模型中，精度誤差主要集中在高程處，而平面坐標(biāo)排除個(gè)別點(diǎn)的浮動(dòng)，基本上都能符合1:2000的大比例尺數(shù)字測圖的精度要求?？偟膩碚f，Pix4D生成的三維模型精度會(huì)較好且穩(wěn)定性更佳，更加適合用于無人機(jī)航測的生產(chǎn)使用。

4結(jié)論與展望隨著測繪裝備制造技術(shù)的愈加成熟以及測繪工作者的專業(yè)化程度提高，越來越多的工作單位開始使用無人機(jī)進(jìn)行常規(guī)的測量工作。而隨著無人機(jī)航測應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬及其相比傳統(tǒng)測量自帶的諸多優(yōu)點(diǎn)，使用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行三維模型重建的新方向受到測繪行業(yè)的強(qiáng)烈關(guān)注，它也使得測繪行業(yè)所需的成果需求也逐漸從2D轉(zhuǎn)移到3D。綜合測繪行業(yè)的發(fā)展，本文對無人機(jī)進(jìn)行三維模型重建的實(shí)驗(yàn)十分具有必要性，同時(shí)也符合未來的發(fā)展需求。而從本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)