校园实景三维模型的构建与网络发布

1、ADDIN NoteFirst.PublicStoreADDIN NoteFirst.PublicStore西 南 交 通 大 学本科毕业论文校园实景三维模型的构建与网络发布年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 2017 年 5 月Southwest Jiaotong UniversityGraduation ThesisCONSTRUCTION AND WEB PUBLISHING OF CAMPUS REAL 3D MODELGrade: 2013Number: 20133260Name: Gong HuiSpeciality: Geographic Information

2、ScienceSupervisor: Cai GuolinMay, 2017西南交通大学本科毕业论文第PAGE IV页院 系 地球科学与环境工程学院 专 业 地理信息科学 年 级 姓 名 题 目 校园实景三维模型的构建与网络发布 指导教师评 语 该论文在查阅国内外资料的基础上，选择西南交大犀浦校区作为实验区，首先利用旋翼无人机采集数据，处理并制作了数字正射影像图和三维实景模型；然后构建了一个校园实景三维系统，将正射影像图和三维模型发布到网络上，并实现了校园实景浏览、信息查询等功能。论文描述清晰、结构合理、撰写规范，表明作者具备一定的自主学习和独立分析解决问题的能力。论文达到了本科生毕业设计的要

3、求，同意提请答辩。 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业论文任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期：2016年11月30日 完成日期：2017年5月19日题 目 校园实景三维模型的构建与网络发布 1、本论文的目的、意义WebGIS系统是实现地理数据共享的重要方式之一，可将区域的空间布局、环境面貌展现给用户。目前大部分WebGIS系统以二维地图的方式展示地理空间数据，表现方式单一、抽象，不能贴切地还原真实场景。利用无人机倾斜摄影构建的三维模型精度较高、纹理逼真，将其发布至网络，一方面可以更好地展示三维的实景；另一方面，通过与地

4、物属性信息的结合，用户在浏览三维实景的同时，还可对区域内目标和环境有更全面的了解。利用无人机影像建模，并构建一个基于WebGL的校园实景三维信息系统，能真实地还原空间布局及景物环境，使用户更好地了解区域环境。 2、学生应完成的任务 (1) 学习无人机相关知识，练习操控无人机采集影像。 (2) 制定飞行计划，操控无人机采集犀浦校区正射影像和各建筑的倾斜影像，并对采集的数据进行检查。 (3) 对影像数据按照专业流程进行处理，生成数字正射影像和三维模型，并进行后处理，准备数据发布。 (4) 学习基于WebGL的开源框架Cesium，理解其代码组织结构，并学习HTML、JavaScript等前端开发语

5、言，搭建网页。 (5) 设计校园实景三维系统架构，组织系统数据，使用Cesium框架发布模型。并设计和实现系统功能，包括场景浏览，信息查询等。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分 收集资料与查阅文献，调查相关国内外研究现状。 (2周)第二部分 操控无人机采集犀浦校区正射影像及倾斜影像。 (3周)第三部分 对采集到的无人机影像进行处理，生成犀浦校区正射影像图以及校园 内建筑三维模型。 (4周)第四部分 搭建网络三维系统，编写代码，发布模型，实现系统功能。 (3周)第五部分 完成论文写作。 (3周)评阅及答辩 评阅及答辩。 (1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年

6、 月 日摘 要WebGIS系统是实现地理数据共享的重要方式之一，可将区域内的空间布局、环境面貌展现给用户。目前大部分WebGIS系统以二维地图的方式展示地理空间数据，表现方式单一、抽象，不能贴切地还原真实场景。部分系统将三维模型一并加载，但模型多由人工构建，贴图真实感不够，导致展示效果不佳。利用无人机倾斜摄影构建的三维模型精度较高、纹理逼真，将其发布至网络，一方面可以更好地展示三维的实景；另一方面，通过与地物属性信息的结合，用户在浏览三维实景的同时，还可对区域内目标和环境有更全面的了解。基于此，本文以西南交通大学犀浦校区为实验区，将无人机遥感、WebGIS等技术相结合，通过数据采集、区域实景建

7、模与网络发布，构建了一个基于WebGL的校园实景三维信息系统。具体研究工作如下：(1) 在分析无人机遥感技术应用现状的基础上，研究无人机垂直与倾斜摄影技术，并通过无人机遥感获取了西南交通大学犀浦校区的垂直影像与建筑物的倾斜影像。(2) 研究摄影测量与三维重建相关技术方法，对垂直与倾斜影像进行处理，制作了西南交大犀浦校区正射影像与建筑物实景三维模型。(3) 设计校园实景三维系统总体架构、系统界面与功能，使用HTML、CSS和JavaScript技术编制了一个基于Web的校园实景三维信息系统。该系统将三维模型及正射影像发布至服务器，以逼真的形式将校园环境展现在浏览器端，并为用户提供了校园场景浏览、

8、建筑信息查询等功能。结果表明，本文搭建的校园实景三维系统较为真实地还原了校园空间布局及环境，使用户对校园环境有更好的沉浸感。关键词：无人机；倾斜摄影建模；影像处理；WebGL；网络发布第PAGE VI页AbstractWebGIS system is one of the important ways to share geographic data, which shows the spatial layout and environment of the area to users. At present, most WebGIS systems display geospatial da

9、ta in the form of two-dimensional map. This kind of performance is single, abstract, and cannot be appropriate to reconstruct the real scene. Some of systems also load 3D models which are constructed artificially. Their textures are not real enough, resulting in poor display. 3D models constructed b

10、y oblique photography of unmanned aerial vehicles are more accurate and the texture is realistic. Published to web, on the one hand, 3D models can show the three-dimensional real scene better. On the other hand, through the combination with the attributes of the landmark, they give users a more comp

11、rehensive understanding of the objectives and environment in the area while browsing the 3D real scene.Based on the above, this paper takes Xipu campus of Southwest Jiaotong University as experimental area, combines UAV remote sensing, WebGIS and other technologies together, constructs a WebGL based

12、 campus real 3D information system through data collection, regional real modeling and web releasing. The specific work in this paper consists of the follows.(1) On the basis of analyzing the present situation of UAV remote rensing technology application, UAV vertical and oblique photography techniq

13、ues are studied. Vertical image of the Xipu campus of Southwest Jiaotong University and the oblique image of the building are captured through UAV remote sensing.(2) Based on study of the methods of photogrammetry and 3D reconstruction, vertical and oblique images are processed to build orthophoto o

14、f Xipu campus of Southwest Jiaotong University and real 3D models of the buildings.(3) The overall architecture, system interface and function of the campus real 3D system are designed. A web-based campus real 3D information system is constructed using HTML, CSS and JavaScript. The system releases 3

15、D model and orthophoto map to the server, and displays the campus environment in a realistic form on the browser. It also provides users with the functions of campus scene browsing and building information inquiry.The result shows that the campus real 3D system can restore the campus space layout an

16、d environment, so that users can better understand the campus environment.Key words: UAV, oblique photograph modeling, image processing, WebGL, web publishing目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc483670101 第1章 绪论 PAGEREF _Toc483670101 h 1 HYPERLINK l _Toc483670102 1.1 研究意义 PAGEREF _Toc483670102 h 1 HY

17、PERLINK l _Toc483670103 1.2 国内外研究现状 PAGEREF _Toc483670103 h 2 HYPERLINK l _Toc483670104 1.3 研究目的、研究内容及技术路线 PAGEREF _Toc483670104 h 3 HYPERLINK l _Toc483670105 1.3.1 研究目的 PAGEREF _Toc483670105 h 3 HYPERLINK l _Toc483670106 1.3.2 研究内容 PAGEREF _Toc483670106 h 3 HYPERLINK l _Toc483670107 1.3.3 技术路线 PAGE

18、REF _Toc483670107 h 4 HYPERLINK l _Toc483670108 1.4 本文章节安排 PAGEREF _Toc483670108 h 5 HYPERLINK l _Toc483670109 第2章 无人机航测系统概述及数据采集 PAGEREF _Toc483670109 h 6 HYPERLINK l _Toc483670110 2.1 无人机航测系统概述 PAGEREF _Toc483670110 h 6 HYPERLINK l _Toc483670111 2.2 垂直影像采集方法与流程 PAGEREF _Toc483670111 h 8 HYPERLINK

19、l _Toc483670112 2.2.1 垂直影像采集方法 PAGEREF _Toc483670112 h 8 HYPERLINK l _Toc483670113 2.2.2 垂直影像采集流程 PAGEREF _Toc483670113 h 9 HYPERLINK l _Toc483670114 2.3 倾斜影像采集方法与流程 PAGEREF _Toc483670114 h 11 HYPERLINK l _Toc483670115 2.3.1 倾斜影像采集方法 PAGEREF _Toc483670115 h 11 HYPERLINK l _Toc483670116 2.3.2 倾斜影像采集流

20、程 PAGEREF _Toc483670116 h 12 HYPERLINK l _Toc483670117 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc483670117 h 13 HYPERLINK l _Toc483670118 第3章 无人机影像数据处理 PAGEREF _Toc483670118 h 14 HYPERLINK l _Toc483670119 3.1 垂直影像处理 PAGEREF _Toc483670119 h 14 HYPERLINK l _Toc483670120 3.1.1 数字摄影测量相关技术方法 PAGEREF _Toc483670120 h 14 HYPERL

21、INK l _Toc483670121 3.1.2 预处理 PAGEREF _Toc483670121 h 18 HYPERLINK l _Toc483670122 3.1.3 空三加密 PAGEREF _Toc483670122 h 20 HYPERLINK l _Toc483670123 3.1.4 正射影像生成 PAGEREF _Toc483670123 h 21 HYPERLINK l _Toc483670124 3.2 倾斜影像处理 PAGEREF _Toc483670124 h 23 HYPERLINK l _Toc483670125 3.2.1 倾斜摄影测量相关技术方法 PAGE

22、REF _Toc483670125 h 23 HYPERLINK l _Toc483670126 3.2.2 空三解算 PAGEREF _Toc483670126 h 26 HYPERLINK l _Toc483670127 3.2.3 三维模型生成 PAGEREF _Toc483670127 h 27 HYPERLINK l _Toc483670128 3.2.4 模型后处理 PAGEREF _Toc483670128 h 28 HYPERLINK l _Toc483670129 3.3 本章小结 PAGEREF _Toc483670129 h 29 HYPERLINK l _Toc4836

23、70130 第4章 校园实景三维网络发布系统的设计与实现 PAGEREF _Toc483670130 h 30 HYPERLINK l _Toc483670131 4.1 系统总体设计与功能设计 PAGEREF _Toc483670131 h 30 HYPERLINK l _Toc483670132 4.1.1 系统总体设计 PAGEREF _Toc483670132 h 30 HYPERLINK l _Toc483670133 4.1.2 系统界面及功能设计 PAGEREF _Toc483670133 h 31 HYPERLINK l _Toc483670134 4.2 系统数据 PAGER

24、EF _Toc483670134 h 32 HYPERLINK l _Toc483670135 4.3 系统界面及功能实现 PAGEREF _Toc483670135 h 33 HYPERLINK l _Toc483670136 4.3.1 系统界面实现 PAGEREF _Toc483670136 h 33 HYPERLINK l _Toc483670137 4.3.2 系统功能实现 PAGEREF _Toc483670137 h 34 HYPERLINK l _Toc483670138 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc483670138 h 36 HYPERLINK l _Toc4

25、83670139 第5章 总结 PAGEREF _Toc483670139 h 37 HYPERLINK l _Toc483670140 致谢 PAGEREF _Toc483670140 h 38 HYPERLINK l _Toc483670141 参考文献 PAGEREF _Toc483670141 h 39西南交通大学本科毕业论文第PAGE 42页第1章 绪论1.1 研究意义网络实景三维GIS系统，整合了三维GIS系统形象逼真、模拟现实的优点和WebGIS系统轻便、跨平台的优势，因此用户可以方便地通过浏览器访问三维地理信息系统，在系统中看到接近原貌的地物和场景，享受到比传统GIS系统更好的

26、体验。而现有的三维WebGIS系统中，大多为闭源、收费的商业系统。这些系统大多数据格式单一，可扩展性、可操作性差，面向商业应用而缺少面向个人用户的服务。因此，一种轻型、开放、面向公共服务的三维地理信息系统是值得开发和推广的。本文尝试将三维GIS与WebGIS结合，搭建一个面向校园用户的开放网络实景三维GIS平台，为校园师生提供场景浏览、信息查询等服务。当前，无人机技术发展快速，其小型、便捷、高效的特点给GIS带来了新的血液，成为了GIS数据采集的重要手段之一。其中小范围地区以多旋翼无人机为主，大范围地区以固定翼无人机为主。四旋翼、六旋翼、八旋翼等旋翼无人机以其携带方便、起降场地要求低、安全性高

27、等优势，占据了大多数的市场。以国产大疆精灵4无人机为例，其所有作业设备均可放入小型手提箱，总重3.5kg。无人机飞行重量1380g，飞行时间约28分钟，以150m高度、航向重叠率80%、旁向重叠率60%采集1km2范围的垂直摄影影像，用时约18分钟，地面分辨率为6.5cm/px。精确的GPS定位和较高的分辨率给小范围的测绘以及倾斜摄影任务带来了更精确的成果。利用无人机便捷、灵活和高分辨率的优势，本文以无人机航空摄影作为研究数据的主要采集方式，采集校园内的建筑影像信息，生成三维模型并发布到网络实景三维平台。三维模型在工业、建筑、医疗等领域都已经被广泛应用。对于三维模型本身，其格式多样化，给数据共

28、享与管理造成难度；且某些三维模型数据量大，网络传输耗时。而对于网络三维技术，如Flash、Java3D、X3D等，大多需要安装浏览器插件来实现，且存在兼容性方面的问题。利用WebGL技术能很好地解决以上问题。WebGL是新一代的Web3D图形标准，通过WebGL技术无需安装插件，直接调用GPU进行运算，渲染效果好，并且WebGL支持轻量化的gltf三维模型格式，能更快速地传输三维数据。综上所述，本文尝试建立基于无人机影像数据的校园实景三维系统。利用无人机平台拍摄影像并建模，连同校园正射影像发布到网络，并使用WebGL技术，搭建网络三维系统。对于新生或者参观者，该系统将为用户带来逼真的校园场景和

29、一系列的校园信息，增加校园的影响力。1.2 国内外研究现状无人机最早出现于1917年，由于微电子技术在当时还未出现，无人机使用的几乎全部是机械结构部件。直到20世纪90年代后，随着微机电系统的成熟，惯性导航装置可以被集成在几克重的电路板上，这使得智能化的、可自动控制的无人机成为可能 REF _Ref482972305 r * MERGEFORMAT 1。2010年之后，集成电路、计算芯片和传感器等计算机硬件以及配套软件有了很大进步，带动无人机领域的相关研究发展壮大。在国外无人机应用起步较早，在环境遥感、矿山测量、农业检测等领域已广泛使用 REF _Ref482985139 r * MERGEF

30、ORMAT 2 REF _Ref482985142 r * MERGEFORMAT 3。在国内以大疆创新和零度智控为代表的民用无人机企业迅速成长。2013年，大疆发布了第一代消费级航拍无人机，大疆精灵。随之而来的大疆精灵3、4等机型，每一款都在上一代的基础上有所继承和发展，到现在的精灵4 Pro，已经具备了GPS定点悬停、航点规划、视觉定位、视觉跟随、视觉避障等智能化的功能，在重量结构等方面有了极大的改善。同时大疆公司也推出了经纬M200、经纬M600、农业植保机等行业应用机型，推动了无人机在测绘、国土、电力、农业、消防等行业的应用和发展。专业化、定制化的无人机设备对于测绘地理信息行业是一个极

31、大的帮助，作为地理数据的入口，无人机摄影测量有着地面测量无法企及的效率，同时也比载人飞机测绘更为灵活，安全，节约了大量人力物力成本。2010 年国家测绘局开始实施已发布的有关无人机航摄要求的测绘行业标准，包括数字航摄仪检定规程、无人机航摄安全作业基本要求、无人机航摄系统技术要求、低空数字航空摄影测量内业规范、低空数字航空摄影测量外业规范及低空数字航空摄影规范等。随着低空空域管理的改革，将逐步形成符合低空空域管理规律的组织模式、制度及运作方式，进而有效地开发、利用低空空域资源 REF _Ref482972351 r * MERGEFORMAT 4，无人机在测绘行业的应用随之快速扩张。随无人机技术

32、一同兴起的是倾斜摄影技术。倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直和四个倾斜五个不同的视角同时采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理 REF _Ref482973534 r * MERGEFORMAT 5，它能够较好地还原真实地物原貌，并且以高精度重建地物的几何与纹理信息。三维模型通过与遥感影像、矢量数据和属性数据等进行融合，可以生成实景三维模型 REF _Ref482970927 r * MERGEFORMAT 6。国内外已经研制出了性能优异的倾斜摄影数据采集系统，如天宝公司AOS系统、VisionMap公司A3系统和国产倾斜相机SWD

33、C-5等。配套的数据后处理软件也在不断发展，主要有ASTRIUM公司的街景工厂、Bentley公司的Smart3D、Agisoft公司的PhotoScan等。这些软件均支持倾斜影像导入、快速空三解算、自动化生成模型与贴图等功能，生成高质量三维模型的同时也减少了人员工作量。WebGL技术在2009年8月由Khronos组织提出，它是一个跨平台、开源、用于在Web浏览器创建三维图形的API REF _Ref482970949 r * MERGEFORMAT 7。WebGL是一种3D绘图标准，它把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过直接运行JavaScript脚本实现了W

34、eb交互式三维动画的制作，无需安装任何浏览器插件，就能直接调用OpenGL接口对HTML的canvas标签进行图形绘制等操作，提高了渲染速度 REF _Ref482992481 r * MERGEFORMAT 8。WebGL技术充分利用了GPU强大的图形计算能力，省去了通过插件实现三维绘图的繁琐过程 REF _Ref482975379 r * MERGEFORMAT 9。由于该标准完全开源，WebGL得到了广泛应用，目前各大浏览器均已支持WebGL标准。WebGL能够满足三维地理信息系统中所有元素类型的创建，无论矢量数据、栅格数据、文本标准等数据结构均能展现在Web端的场景中，使用WebGL可

35、以实现浏览器端无插件绘制三维场景 REF _Ref482970964 r * MERGEFORMAT 10。对于数据量大，场景复杂的三维WebGIS场景，WebGL是最佳选择。1.3 研究目的、研究内容及技术路线1.3.1 研究目的本文使用无人机技术，采集西南交通大学犀浦校区垂直及倾斜影像，对影像进行处理，生成正射影像及建筑三维模型。并搭建校园实景三维信息系统，将数据成果发布在服务器端，实现场景浏览、属性查找和位置查询等功能。1.3.2 研究内容基于研究目的，本文研究内容主要有以下三点：(1) 在研究分析无人机遥感技术的基础上，遵循采集方法与规范，操作无人机分别采集西南交大犀浦校区的垂直和倾斜

36、影像，为实景三维系统提供数据。(2) 使用数据处理软件对垂直和倾斜影像进行预处理和空三加密，制作犀浦校区的数字正射影像图和校园建筑的三维模型，并对三维模型进行裁剪和格式转换，准备网络发布。(3) 基于WebGL和WebGIS技术，搭建Web服务器端三维地理信息系统，发布西南交大犀浦校区正射影像与建筑三维模型，实现校园场景浏览、属性查找和位置查询等功能。1.3.3 技术路线本文使用无人机遥感作为数据采集手段，采集西南交大犀浦校区垂直和倾斜影像，并对垂直和倾斜影像分别处理，生成数字正射影像图和建筑物三维模型。搭建了校园实景三维系统，将数字正射影像和三维模型发布至服务器，提供场景浏览与信息查询功能。

37、首先，本文对无人机航测系统进行概述，研究无人机影像采集方法，操控无人机分别采集校园的垂直和倾斜影像。其次，本文使用Pix4D软件处理垂直影像，通过预处理、空三加密与影像拼，接制作数字正射影像图；使用Smart3D软件对倾斜处理影像，通过空三解算、三维重建与后处理，制作建筑物三维模型。最后，本文基于WebGL技术，通过HTML、CSS、JavaScript技术搭建校园实景三维系统，将正射影像图和三维模型发布至网络，实现了三维实景浏览和信息查询功能。图1-1 本文技术路线图1.4 本文章节安排第1章：绪论，阐述本文研究意义，总结国内外无人机发展状况以及无人机航测研究现状，并以此提出研究目的、研究内

38、容及技术路线。最后概括论文章节安排。第2章：概述无人机航测系统的组成，介绍垂直影像和倾斜影像的采集方法及流程。第3章：概述无人机影像处理相关技术方法，详细介绍垂直影像与倾斜影像的处理方法及最终成果。第4章：设计网络实景三维系统架构与功能，阐述系统数据组织方式以及系统功能的实现。第5章：总结本文的研究工作及成果。第2章 无人机航测系统概述及数据采集本章首先概述无人机航测系统的结构组成，随后详细介绍了无人机垂直影像和倾斜影像的采集方法与流程。2.1 无人机航测系统概述无人驾驶飞机简称无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV），是指利用地面远程控制设备和机载电子设备实现地面站

39、遥控或自主飞行的不载人飞行器 REF _Ref482971030 r * MERGEFORMAT 11。广义上无人机包括固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、无人飞艇等，本文所述无人机均指多旋翼无人机。多旋翼无人机航测系统主要由飞行平台、机载设备和相应的地面控制设备组成 REF _Ref482985492 r * MERGEFORMAT 12。测绘行业中主流多旋翼无人机平台有四旋翼、六旋翼和八旋翼配置。无人机的旋翼数越多，载重量越大，稳定性越好，起降要求越高，自重越大，便携性越差。在机体内部安装有姿态控制单元、GPS接收单元、动力控制单元和信号接收模块等机载电子设备。每个机臂末端安装无刷电机

40、和螺旋桨，用于提供升力。飞行电池为可更换设计，多安装于内部或挂载于机身下。机身下部两侧装有脚架，保证挂载设备不触地。机载设备多以挂载方式挂于机身之下，少数置于顶部。由于摄影测量任务视角均朝向正下方或者斜下方，设备挂于机身下不会出现遮挡视野等问题。不同于大型飞机的航空相机，无人机摄影测量作业多使用小型单反或微单相机，如SONY NEX-5R、SONY a7r、Canon 5D3等，要求光学性能好，几何畸变少，像素高。倾斜摄影作业时还可挂载五镜头相机，该相机有五个镜头和五个传感器，分别从正上方和四个对称的倾斜角度拍摄地物，可以一次获取同一地物的五个不同角度的影像。相比于常规单镜头相机，大大提高了倾

41、斜摄影的效率。挂载相机通常与云台配合使用。云台是指通过机械结构或者传感器、伺服电机等电子设备，使相机姿态保持稳定的一种装置。云台多用于航拍领域，也用于地面的电影电视拍摄。由于飞机靠高速转动的螺旋桨提供升力，螺旋桨高速旋转时会不可避免地产生震动，由机臂传递到机身各处。这种震动按频率分为低频震动和高频震动。低频震动会对相机精密零件产生破坏，并且使成像抖动、模糊；高频震动会使成像画面出现带状波纹，扭曲变形。这两种震动都需要被减弱或消除。另一方面，飞机在做俯仰、偏航等动作时，必然会连带影响相机的姿态，干扰拍摄。使用云台能减少飞机的震动传递，并且能将相机姿态与无人机姿态分离，使二者达到基本独立。云台电机

42、能根据信号旋转一定角度，无论飞机姿态如何，均能保持当前角度。通过XYZ轴上的三个云台电机，能保证相机在三维空间内的姿态。通常机载设备与飞行控制设备相连接，由飞控系统发出指令，完成控制云台角度、相机设置、拍照等动作。地面控制设备包括遥控器、数据传输模块、功率放大器、地面站等。其中最核心的设备是遥控器，它控制无人机最基本的升降、俯仰、偏航等动作，操控人员通过遥控器直接控制无人机，在所有地面设备中拥有最高的优先级。在大范围航测任务中，由于遥控器自身的信道不足和功率较小等原因，需额外配备数据传输模块和功率放大设备，用来远距离实时传输无人机的位置、姿态、高度、航速等飞行数据，并显示于地面站。地面站一般装

43、有配套的硬件和地面端控制软件，用于接收传输回地面信号以及发送指令。地面站可完成航测规划、定点飞行、自动返航等操作。无人机航测系统结构如图2-1所示。图2-1 无人机航测系统组成在本实验中，实验区范围较小，实验区内人员较多，建筑较多，缺少满足大型无人机起降条件的场地。因此，本实验使用轻便灵活的小型四旋翼无人机作为平台，挂载1200万像素单镜头相机，采集垂直和倾斜影像。2.2 垂直影像采集方法与流程数字正射影像图（Digital Orthophoto Map, DOM）是指利用DEM或DSM对中心投影的航空影像进行正射校正，再对其进行镶嵌融合生成的具有正射投影性质的影像数据 REF _Ref482

44、971865 r * MERGEFORMAT 13 ADDIN NE.Ref。无人机影像采集按照采集方式分为垂直和倾斜两种方式，本文中，垂直影像是指在摄影时相机主光轴垂直于水准面或主光轴与铅垂线的夹角小于2时拍摄的影像。2.2.1 垂直影像采集方法垂直影像是传统航空摄影测量作业的主要数据形式，采集垂直影像的方式也称为垂直摄影。拍摄影像时，要求相片倾斜角不大于2。目前无人机均配备三轴自稳云台，保证相机在飞行时不受机身震动的影响，也使相机姿态独立于飞机俯仰、滚转等动作，始终保持视角。在云台的控制下，均能保证相机主光轴倾斜角小于2，获取垂直影像。航测任务规划需注意测区周围环境，要根据测区地形、气象、

45、法规、人文等因素制定飞行计划。(1) 根据测区地形，选择合适的起降场地。尽量选择靠近测区，地形平坦开阔的地点。根据地形和比例尺，确定飞行高度。在高程变化不大的区域，如城市、田地等地区，可以设置单个飞行高度；若测区在山地、丘陵等地形起伏较大的区域，则应适当提高飞行高度，或者分区块确定不同的飞行高度。一般要求航高是地面最大高差的6倍以上。(2) 飞行前应关注测区的天气状况。要求在飞行时段测区的光照条件良好，少云，使影像亮度高，对比清晰，提高后期处理精度。尽量在正午时段飞行，此时太阳高度角最大，地物阴影少，不仅成图效果好，也提高了识别算法的准确度。若在冬季执行任务，还需注意环境温度不能低于无人机工作

46、温度，否则将不能正常飞行，甚至使无人机坠毁。(3) 飞行前需查阅相关法规文件，遵守当地飞行法规。如有需要，还需向有关部门申请空域，确保合法飞行。(4) 若测区相对较大，需要分时段飞行的情况下，应选取间隔小、气象条件相似的时间点进行。要保证地物在航测期间内没有发生明显变化，不同时段的影像在对比度、饱和度、曝光量、阴影等方面相同或相似。使用航测规划软件，能基本实现自动化航测作业，大大提高了数据采集质量和作业效率。对于大型航测无人机，厂商开发了配套的软件，集航线规划，数据管理和数据处理于一体。而对于小型无人机，也有第三方航线规划软件可以在移动设备上使用，如Pix4D Capture、Altizure

47、、DJI Ground Station等。将移动设备和遥控器连接，无人机操控手只需划定测区范围，设置飞行高度、重叠率、拍照模式等参数，软件即可自动生成航点任务并通过数据传输模块上传至无人机飞控中，航线及航点如图2-2所示。此后无人机随时可以自主飞行。由于无人机挂载设备在像素、光学指标、几何指标等条件上劣于航空相机，为达到一般航摄精度，要求作业时航向重叠度不低于70%、旁向重叠度不低于50%。图2-2 无人机航线示意图高精度航测任务中还需在地面布设控制点。在测区内均匀选取像控点，要求在影像中清晰可分辨。利用全站仪、RTK等技术测定控制点平面坐标及高程。并在后期处理中导入软件参与整体解算，提高精度

48、。2.2.2 垂直影像采集流程(1) 测区概况：西南交通大学犀浦校区位于成都市西北部，三环路至绕城高速之间，属成都市郫都区管辖。校区为西北-东南走向，地面无剧烈起伏，校内有两片湖泊及一条河流，主要建筑为学生宿舍、生活区、体育馆、教学楼、图书馆、实验室等，校园占地面积约2平方公里。校园周围是生活小区及未开发地块，南、西、北三面人员密集。校区所在的成都平原气候温润，阳光少，阴天较多，无风及微风天气占多数，适宜航测飞行。(2) 测区分块：小型四旋翼无人机航程小，单次飞行面积有限。根据校区几何形状、飞行器航时及电池数量、起降场地等因素，将测区分为六个小区块，分三天飞行，每天拍摄两个区块。六个区块分别是

49、：南区体育场、南门及机车园、南区宿舍及北区体育场、图书馆及其南部教学楼、北区宿舍及浙园、图书馆北部教学楼，每个区块之间有重叠。(3) 时间计划：根据气象资料，确定数据获取日期为2016年12月28日至2016年12月30日。期间天气情况均为阴天，阳光弱，微风。每天均选择下午2点至4点时段拍摄，该时段光照条件好，地面人员少，对影像质量和飞行安全均有保障。拍摄计划为：12月28日，拍摄南区体育场、南门及机车园，飞行高度150米。12月29日，拍摄南区宿舍及北区体育场、图书馆及其南部教学楼，飞行高度180米。12月30日，拍摄北区宿舍及浙园、图书馆及北部教学楼，飞行高度为150米。(4) 拍摄计划：

50、航测使用Pix4D Capture 软件在iPad设备上进行辅助规划，如图2-3所示。Pix4D软件以卫星或者矢量数据作为底图，用户在底图之上划定任务范围并调整航向，在设置中调整重叠度、拍照模式、白平衡等参数，即可准备飞行。飞行时软件实时获取无人机飞行数据和相机画面，并显示在移动设备屏幕上。用户能看到无人机实时位置和镜头画面。软件会根据无人机位置，通过遥控器发送快门指令到无人机。因此在飞行时，需选择空旷、信号干扰少、遮挡少的场地起降无人机，以保持遥控器与无人机的通信。对校园环境考察分析后，最终选择的起降场地为南区体育场、教学楼楼顶和浙园。图2-3 航测任务规划(5) 飞行拍摄：按计划到达预定场

51、地，取出无人机并组装好。起飞前要进行各项检查，包括电池状况、螺旋桨有无破损、云台是否正常等 REF _Ref482976634 r * MERGEFORMAT 14。启动无人机，等待无人机飞控初始化完成，进入飞行软件查看各项参数是否正常，包括IMU模块是否正常、指南针是否校准、GPS星数是否足够、SD卡空间是否足够等。按计划在Pix4D Capture软件中画出测量区域，设置航向重叠度为80%，旁向重叠度为60%，检查其它设置，之后将任务上传至无人机。点击“Take Off”，无人机自动起飞并按航线飞行。飞行过程中，观察屏幕各项飞行参数及信号质量，若出现异常则立刻切换至手动飞行模式，操控无人机

52、安全返航。任务完成后，无人机自动返航至起飞点。(6) 数据整理：飞行完成后将SD卡内数据导出至电脑，按日期归类存放。检查数据质量，如有遗漏或不合格则计划补拍。2.3 倾斜影像采集方法与流程倾斜摄影技术近年在国内得到了快速发展，狭义的倾斜摄影指在同一飞行平台上挂载多个传感器，同时从多个角度获取地物影像的技术；广义上泛指从不同角度获取地物影像的技术。倾斜摄影技术精度高、效率高，大幅减少了人力物力和时间成本，是实景三维建模数据的主要来源。2.3.1 倾斜影像采集方法不同于垂直影像，倾斜影像的获取方法更为多样灵活。大型六旋翼或八旋翼无人机可以携带五镜头甚至八镜头相机进行倾斜摄影作业，一般用于大范围的三

53、维建模。用这种设备采集效率高，航线简单，数据易于管理；但是也存在保养难度大，成本高的问题。多镜头设备采集方式类似垂直影像，有配套的航线规划软件来自动规划航线。这种软件能根据测区几何参数、相机镜头参数和目标分辨率自动计算航高与路线 REF _Ref482983145 r * MERGEFORMAT 15。小型无人机携带单镜头也能进行倾斜影像的采集，缺点是航线复杂，较为耗时，但是拍摄分辨率更高，贴图纹理清晰，模型更加精细。倾斜摄影需要从多个角度和高度对建筑物进行拍摄，尽可能多地获取建筑物几何与纹理信息。但是，过多的数据也会造成处理速度缓慢，数据量大的冗余问题。因此，拍摄密度过低或过高都不能达到理想

54、的效果。而目前针对单镜头的小型多旋翼无人机还没有相应的航线规划软件来自动规划飞行任务，所以操作此类无人机采集倾斜影像要事先考察场地以及规划航线，也需要操控手具备一定的飞行和数据处理经验。对于建筑物的影像采集，通常要按照一定顺序，围绕建筑物外墙面飞行拍摄，每张照片的重叠度不小于60%，相邻影像的视角差在15之内，如图2-4所示。对于两层以上的建筑物，需要在不同的高度和角度分别拍摄两到三个环绕，每个环绕之间也要保持50%以上的重叠度，如图2-5所示。在建筑物的弧面或转角处，还需加大拍摄密度。最后在距建筑物顶部以上一定高度拍摄其垂直影像。若建筑物有天井、塔楼等特殊结构，也应对其外立面进行影像采集，方

55、法同上，如条件不满足可适当放宽要求。 图2-4 环绕拍摄 图2-5 不同高度拍摄拍摄同时还应记录影像中心GPS数据，一般无人机已经能在拍照同时记录成像中心的GPS数据，并保存在影像元数据中。添加完整的POS数据能进一步提高解算精度。记录相机空间姿态需要额外设备，如没有姿态数据也能通过空中三角测量解算姿态并加密，但模型精度会有所下降。进行拍摄时要注意建筑物结构及周围环境，如建筑高度、墙面材质、南北朝向、人群密度、周边建筑高度等，据此规划飞行方案。尽量选择多云、阴天时拍摄，使光照均匀柔和，减少阴影。影像中目标建筑要占据画面主体。2.3.2 倾斜影像采集流程(1) 测区建筑概况：犀浦校区内主要建筑物

56、有：1-22号天佑斋、4-11号鸿哲斋、1-4食堂及生活服务区、南区体育场、北区体育场及体育馆、1-9号教学楼、图书馆、行政楼。所有建筑均在60米以下，教学区建筑之间间隔较大，有利于环绕拍摄，但是多数教学楼有天井等复杂结构，形状不规则。生活区建筑密集，建筑结构复杂，多为连体建筑，且周围人群较多。(2) 飞行计划：教学区为重点建模区域，模型精度要求高。每栋建筑单独采集影像，单独建模。因单次飞行时间有限，计划每天采集一至两栋建筑影像，均选择在下午2点至4点时段进行拍摄。首先以两个不同的高度和角度环绕建筑飞行，覆盖外墙面和楼顶；再飞至天井上方，面对井内墙面环绕拍摄一圈；最后飞至建筑上方，采集建筑的垂

57、直影像。对于生活区，采用大区域建模的方式，将宿舍群作为整体建模。计划每天拍摄一个宿舍群，拍摄方法同教学区。所有拍摄在两周之内完成，确保拍摄期间校园景物不发生明显变化。(3) 飞行拍摄：选取建筑物附近空地或楼顶作为起飞场地。与垂直影像采集一样，起飞前检查各机械、电子部件，启动无人机后检查各项飞行参数。确认安全后起飞，按照外墙面两圈、天井内墙面一圈和垂直摄影的顺序依次采集建筑物影像。飞行全程由操控手操作无人机，飞行时通过安装在移动设备上的配套软件查看飞行参数和实时画面，通过遥控器发送拍照指令。(4) 数据整理：飞行完成后将SD卡内数据传输至电脑，按所属建筑物分文件夹存放。在建模软件中初步导入影像，

58、查看每张照片拍摄点的空间位置，是否符合实际情况。如有遗漏或错误，则计划补拍。2.4 本章小结本章首先介绍了无人机航测系统的组成，包括无人机平台结构、挂载设备和地面端控制设备。然后分垂直影像与倾斜影像两部分，详细说明了使用无人机获取影像数据的方法与流程。第3章 无人机影像数据处理本章首先介绍了无人机影像处理相关技术方法，包括摄影测量理论和三维重建理论。再详细介绍了无人机垂直影像和倾斜影像的处理方法与流程，并展示了最终的数据成果。3.1 垂直影像处理本文共获取496张垂直影像，覆盖西南交大犀浦校区及周边区域。所有影像均有GPS坐标，包括经纬度和高程，坐标系为WGS-84坐标系。数据初步处理、空三加

59、密和影像拼接均使用Pix4D Mapper软件。3.1.1 数字摄影测量相关技术方法数字摄影测量是基于摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字图像处理、计算机视觉、模式识别等多学科的理论与方法，从影像提取所摄对象用数字方式表达的几何和物理信息的摄影测量的分支学科 REF _Ref482971053 r * MERGEFORMAT 16。数字摄影测量主要包括以下理论与方法：(1) 内定向与外定向在摄影的瞬间，摄影中心与影像在特定坐标系中的坐标与姿态参数称为影像的方位元素。其中，表示摄影中心与相片之间相对坐标与姿态的参数称为内方位元素；表示摄影中心和影像在地面测量坐标系中的坐标与姿态参数称为外方位

60、元素。而确定内（外）方位元素的过程，称为内（外）定向。内方位元素由三个元素构成：摄影中心到像平面的垂直距离f，摄影中心投影在像平面上的坐标（x0，y0）。内方位元素通常是稳定的，由摄影机厂家提供或用户自行检校。外方位元素包含6个元素：3个直线元素和3个角元素。可以通过GPS接收机、加速度计等传感器获取。传统摄影测量中，外方位元素由一定数量的地面控制点，通过共线条件方程平差计算得到，这种方法也称为空间后方交会。其数学模型为：x=fa1XXs+b1YYs+c1ZZsa3(XXs)+b3YYs+c3ZZs (3-1)y=fa2XXs+b2YYs+c2ZZsa3(XXs)+b3YYs+c3ZZs (3