基于Smart3D软件的消费级无人机快速建立三维模型质量评价

摘要：数字城市建设的稳步推进扩展了大规模三维建模的广泛应用。如何快速高效建立城市三维模型成为当前研究的热点。本文采用常用的无人机平台和影像处理软件对某建筑实现了快速三维建模，详细阐述了从数据获取到三维模型制作的基本流程，并对模型几何质量进行了精度评价，验证了此方法在快速三维建模中的可行性。

关键词：消费级无人机；Smart3D软件；三维模型；质量评价

三维建模是数字城市建设的关键环节，因此如何快速、高效、精确地获取并建立三维模型数据是重中之重。李秀全[1]等人利用非量测相机和Agisoft PhotoScan软件实现了三维模型的快速建立。戴竹红[2]等具体阐述了基于Smart3D软件建立实景三维模型的方法，为本文的研究指明了方向。

1 三维模型重建原理

1.1 多视影像匹配

多视匹配概念的提出，是相对于传统的单立体像对匹配而言的。它充分利用地面同一地物的不同视角影像，运用多视匹配方法将单基线影像匹配的“病态解”转化为多基线影像匹配的“确定解”[3]。

1.2 SFM算法

SFM算法，即运动恢复结构算法，是指从多幅不同角度的图像序列中匹配点，并根据匹配点计算出对应的三维点位置和图像相机参数的过程，以其对影像姿态要求低、匹配效果好的特点，在图像三维重建领域得到了广泛应用。

2 三维建模软件

Smart3D软件，现名Context Capture，由美国Bently公司所有。该软件可通过简单照片生成具有高分辨率的真实三维模型。该软件基于高性能摄影测量、计算机视觉与计算几何算法，在实用性、稳定性、计算性能、互操作性方面，能够满足严苛的工业质量要求。

3 数据准备

3.1 测区概况

本文所选区域为成都理工大学南翼楼，座落于成都理工大学西区，建筑高度大约30米。坐标为30.6755°N30.6759°N，104.13826°E104.13910°E。

3.2 无人机平台

本文选用消费级无人机型号为大疆Phantom3Advanced，相机镜头为FC300S_3.6_4000*3000，像幅大小为4000*3000像素，相机主距为3.61mm。

4 影像处理

4.1 空中三角测量

空中三角测量，即是根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法[4]。而在数字摄影测量中，以光束法平差应用最为广泛，即是以摄影时目标点、相应像点和摄站点三点共线条件所建立的每条空间光线作为整体平差运算中的基本单元的空中三角测量。

4.2 三维重建过程

计算机视觉与摄影测量在技术上相近[5]，同时计算机视觉中的三维重建算法也适用于航空摄影测量。通过多视影像匹配建立恢复每张影像外方位元素，再由三维重建算法生成密集点云、三维网格，最后建立三维纹理，构建三维模型。

三维模型整体效果如下图所示。

5 三维模型质量评价

本文为了验证和评价三维建模的几何质量，将模型分解到基元线和基元面，以局部精度评估整体质量[6]。本次实验使用全站仪量取模型上建筑边缘11个角点参数，计算由角点构成的11条基元线和2个基元面的相关参数。

5.1 基元线评价

5.1.1 长度差值a

量取三维模型中某线段长度值为a1，同时实地测量该线段真值为a2。计算11条基元线长度与真实长度差值，求取其平均值，则

a=111∑11i=1（a2-a1）i

5.1.2角度偏移b

设线段LA与LB角度为θ，且θ∈（0，180°]，两条线段两端点构成的线段为LC，则量取模型中三条线段长度为b1、b2、b3，根据余弦定理公式可得，

θ=arccosb21+b22-b232b1b2

選择11条基元线，求取平均值，即得

b=111∑11i=1θi

5.2 基元面评价

在基元面评价中，本文只考虑用角点及基元线表示的简单平面，不考虑涉及曲率、弧度等的复杂曲面。

（1）基元线分析。11条基元线平均长度差值为9.15cm，部分正交线段误差较小，角度跨度较大的线段误差较大。角度偏移平均值为2.56°，四个直角角度偏移较小，其他角度偏移较大。

（2）基元面分析。2个基元面面积差值平均值为1.39m2，因两个平面具有较多角点，面积误差较大。

6 结语

本文在基于消费级无人机获取影像的精度条件下，将模型精度分解到基元线和基元线，与实地测量精度进行比较，并认为此种评价方法适用于小范围建模精度分析，对计算机自动建模评价具有积极意义。

参考文献：

[1]李秀全，陈竹安，张立亭.非量测相机影像三维模型构建及精度检验[J].测绘科学，2016，41（6）：144147.

[2]戴竹红，李柳兴，邹发东.基于SMART3D的实景三维建模与应用[J].广西城镇建设，2015（4）：113115.

[3]纪松.线阵影像多视匹配自动提取DSM的理论与方法[D].解放军信息工程大学，2008.

[4]耿则勋.数字摄影测量学[M].测绘出版社，2010.

[5]张祖勋.数字摄影测量与计算机视觉[J].武汉大学学报信息科学版，2004，29（12）：10351039.

[6]张雯，程亮，张群，等.三维模型几何质量评价方法[J].测绘通报，2014（7）：4447.

作者简介：郑盼（1992），男，汉族，四川成都人，硕士，研究方向：摄影测量与遥感。