無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)建模技術(shù)研究

引文格式： 潘寶玉，劉同文，蘇國(guó)中，等. 無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)建模技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(4)：75-77.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0115

無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)建模技術(shù)研究

潘寶玉1，劉同文1，蘇國(guó)中2，張?zhí)m1

(1. 山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039)

Research on Automatic Modeling by Unmanned Airship

Low-altitude Aerial System

PAN Baoyu,LIU Tongwen,SU Guozhong,ZHANG Lan

摘要：探討了基于無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)的城市三維自動(dòng)建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一次飛行同時(shí)獲取城市建筑物4個(gè)側(cè)面和頂面的紋理圖像，依據(jù)組合寬角影像自動(dòng)提取建筑物高度信息和自動(dòng)選擇最佳紋理圖像，基本達(dá)到了城市三維建模過(guò)程的自動(dòng)化，大幅度提升了城市三維建模的效率，為智慧城市建設(shè)提供了一種全新的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：無(wú)人飛艇；組合寬角相機(jī)；高度獲?。患y理貼圖；三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：P23

收稿日期：2014-05-13

作者簡(jiǎn)介：潘寶玉(1957—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用研究及測(cè)繪技術(shù)管理工作。E-mail：panbaoyu@126.com

一、引言

城市三維模型的構(gòu)建是智慧城市的主要內(nèi)容，智慧城市的建設(shè)需要真實(shí)的城市三維模型和紋理信息。目前，建設(shè)城市三維模型常用的數(shù)據(jù)源有固定軌道的衛(wèi)星遙感影像、中高空航天航空影像、低空航攝影像以及車(chē)載三維激光掃描儀獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1-3]。衛(wèi)星遙感影像和中高空航空航天影像由于受空間攝影高度和姿態(tài)的限制，只能垂直或小角度拍攝，僅能獲得城市建筑物頂部紋理信息；車(chē)載三維激光掃描儀獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大，在掃描過(guò)程中容易受到樹(shù)木等街景的遮擋并且不能獲取建筑物的頂部數(shù)據(jù)。上述兩種方法在城市建筑物的三維建模中存有一定的局限性。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)的快速興起，無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)已被廣泛用于城市建筑物的三維建模。然而，大多數(shù)無(wú)人機(jī)都是攜載一個(gè)相機(jī)或雙拼組合相機(jī)，飛行攝影效率不高，不能完全獲取建筑物側(cè)面的紋理信息[4]。本文主要介紹無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)人飛艇攝影測(cè)量系統(tǒng)的傾斜攝影方式，對(duì)城市建筑物進(jìn)行多角度、低空攝影測(cè)量，獲取建筑物側(cè)面和頂部影像，實(shí)現(xiàn)建筑物高度信息的自動(dòng)提取和最佳紋理圖像的自動(dòng)選擇，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的城市三維建模生產(chǎn)模式。

二、基于四相機(jī)重疊影像自檢校的低空航測(cè)系統(tǒng)

本文提出的無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)城市三維自動(dòng)建模技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1　城市三維自動(dòng)建模技術(shù)路線(xiàn)

1. 無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)

為了提高城市三維信息獲取的能力和效率，本研究采用近年發(fā)展起來(lái)的無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由飛艇主體、四相機(jī)組合穩(wěn)定平臺(tái)、燃料動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制器、地面監(jiān)控部分組成，是迄今為止城市上空最安全的飛行器，為常態(tài)化、高效采集城市三維信息提供了技術(shù)支撐。

組合寬角相機(jī)中4個(gè)相機(jī)A、B、C、D成對(duì)相向傾斜，A、C相機(jī)傾角為37.8°，B、D相機(jī)傾角為23.8°；A、C相機(jī)間距離為0.15m，B、D相機(jī)間距離為0.23m。如圖2所示。

圖2　無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)

2. 提高三維立體量測(cè)精度的四組合相機(jī)自檢校技術(shù)

相機(jī)檢校主要是利用高精度的控制點(diǎn)和共線(xiàn)方程，基于最小二乘平差獲取四相機(jī)之間的相對(duì)外方位元素[5-6]。本文通過(guò)采用林宗堅(jiān)教授發(fā)明的運(yùn)動(dòng)自檢校模型，利用四組合相機(jī)成像重疊區(qū)域視差變化運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)高精度自檢校。如圖3所示，利用四相機(jī)影像間5個(gè)重疊區(qū)(AB、AC、AD、BC和CD)內(nèi)12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位(圖中圓點(diǎn)表示)，基于影像匹配獲取的同名像點(diǎn)建立24個(gè)視差方程，其中有12個(gè)未知數(shù)。按照附有條件的間接平差法求解，即可實(shí)現(xiàn)組合相機(jī)系統(tǒng)的自檢校。

圖3　用于自檢校的影像重疊區(qū)及檢測(cè)點(diǎn)

由于無(wú)人飛艇在飛行過(guò)程中受風(fēng)力、溫度和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，組合相機(jī)間的相對(duì)空間關(guān)系是變化的，利用上述自檢校方法，每一次曝光獲取的單獨(dú)相機(jī)的組合影像都完成一次自檢校。

三、建筑物高度信息自動(dòng)提取

利用組合寬角成像技術(shù)獲取寬角低空影像，在低空航測(cè)MAP-ATM軟件的支持下完成寬角影像的“空三加密”。試驗(yàn)表明，依照大比例尺航攝飛行規(guī)范要求獲得的影像數(shù)據(jù)所形成的寬角立體模型高程精度在17cm以?xún)?nèi)[7-9]。在完成對(duì)寬角影像空間姿態(tài)高精度解算的條件下，采用CMP-MVS技術(shù)生成密集的DSM點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用自動(dòng)濾波和少量人工干預(yù)生成作業(yè)區(qū)域DEM模型。在獲得這兩類(lèi)數(shù)據(jù)后，利用城市地籍?dāng)?shù)據(jù)或大比例尺地形圖上的建筑物地基數(shù)據(jù)用比對(duì)自動(dòng)搜索技術(shù)自動(dòng)獲得建筑物高度信息。最后，用原始影像結(jié)合DSM數(shù)據(jù)綜合分析的辦法自動(dòng)提取建筑物模型(如圖4所示)。相對(duì)于常規(guī)三維建模方式，省去了外業(yè)調(diào)查和大量人工量測(cè)建筑物高度的工作量，使得建模效率大幅度提升。

圖4　獲取建筑物高度示意圖

四、最佳紋理圖像選擇

真實(shí)的紋理是構(gòu)建建筑物精細(xì)三維模型所必需的。常規(guī)的城市三維建模方法一般是在實(shí)地用數(shù)碼相機(jī)拍攝建筑物的4面紋理照片，內(nèi)業(yè)在Photoshop軟件中進(jìn)行紋理照片的裁剪和處理，最后通過(guò)人工去貼每個(gè)建筑物的紋理照片，工作量十分龐大，工作效率極低。

無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)系統(tǒng)的4個(gè)相機(jī)傾斜角度超過(guò)20°，組合成像生成的寬角影像能解算相機(jī)的高精度6姿態(tài)數(shù)據(jù)，由于4個(gè)傾斜影像與寬角影像有嚴(yán)格的幾何關(guān)系模型，因此，通過(guò)寬角影像的姿態(tài)可以高精度求解傾斜影像的姿態(tài)，具有高精度姿態(tài)的傾斜影像為三維模型自動(dòng)紋理映射和挑選提供了技術(shù)條件。由于三維建模的航攝飛行通常采用航向大于80%、旁向大于65%的影像重疊模式，因此一個(gè)建筑物側(cè)面影像可能存在于20~30幅影像之內(nèi)，如果依靠人工挑選合適的紋理影像則工作量太大。為此，本研究利用建筑物表面法向方向100m消隱分析和建筑物側(cè)面在影像上分塊投影面積較大這兩個(gè)約束條件選擇1~3張最佳紋理影像。

四組合相機(jī)影像能夠清晰地獲取城市建筑物側(cè)面和頂面的影像紋理。如圖5所示，采用基于組合相機(jī)多視定向影像為建筑物幾何模型添加表面紋理的方法，為建筑物幾何模型中的每個(gè)墻面從組合相機(jī)多視影像中選擇一幅質(zhì)量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源，以實(shí)現(xiàn)建筑物紋理圖像的最佳選擇。每個(gè)建筑物都會(huì)自動(dòng)選取最佳的4個(gè)側(cè)面紋理圖像和一個(gè)頂部紋理圖像。

圖5　建筑物5個(gè)方向的紋理圖像

五、三維模型自動(dòng)構(gòu)建

從多張有同一建筑物的原始影像中選擇出最優(yōu)的一張作為紋理裁切的影像后，需要對(duì)紋理影像作幾何糾正，得到建筑物各面的矩形紋理圖片。紋理的像素尺寸是2的N次方，貼圖長(zhǎng)寬比盡量為1∶1或1∶2，如果貼圖實(shí)在太長(zhǎng)或太寬，則將模型面進(jìn)行分割，分別貼圖。建筑物紋理裁切的效果如圖6所示。

圖6　裁切好的建筑物紋理圖像

根據(jù)自動(dòng)獲取的建筑物高度信息進(jìn)行拉伸生成白模，再將裁切好的紋理圖像映射到對(duì)應(yīng)的建筑物墻面上，從而獲得紋理屬性的建筑物三維模型，如圖7所示。

圖7　建筑物三維模型

六、應(yīng)用示例

為驗(yàn)證無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)建模的可靠性，本文以運(yùn)城市城區(qū)23km2為低空攝影測(cè)量試驗(yàn)區(qū)域，具體試驗(yàn)情況見(jiàn)表1、表2。

表1　相機(jī)和航攝參數(shù)

表2　運(yùn)城市空三加密試驗(yàn)分析　m

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行城市建筑物三維建模，能夠滿(mǎn)足1∶1000大比例尺地形圖的精度要求[10]，建立的運(yùn)城市區(qū)三維模型效果如圖8所示。

圖8　試驗(yàn)區(qū)域三維效果圖

本次試驗(yàn)不需要人員去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行建筑物高度調(diào)查，也不需要實(shí)地拍攝建筑物每個(gè)立面的紋理照片，顯著提升了工作效率。運(yùn)城市城區(qū)每平方千米城市三維建模工作量分析對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3　兩種建模方式對(duì)比表

七、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人飛艇載四組合寬角相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次飛行獲取城市建筑物4個(gè)側(cè)面和頂面的紋理，基于四相機(jī)重疊影像的自檢校完成影像拼接，實(shí)現(xiàn)了建筑物高度的自動(dòng)獲取和紋理的最佳選擇與自動(dòng)裁切，使建模效率得到大幅度提升。試驗(yàn)結(jié)果表明，城市三維建模精度能夠滿(mǎn)足1∶1000大比例尺測(cè)圖的精度要求，為智慧城市建設(shè)提供了一種新的技術(shù)手段。因此，無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)建模必將有廣闊的應(yīng)用前景。

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