基于無人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法研究

吳征宇++馮成武

摘 要：無人機(jī)傾斜攝影是當(dāng)前熱門的城市三維建模研究和應(yīng)用內(nèi)容。本文介紹了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，分析了無人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模的應(yīng)用情況，分析了無人機(jī)傾斜攝影在三維城建建模過程和成果中的優(yōu)劣勢，探索總結(jié)了一套無人機(jī)傾斜攝影城市三維建模的改進(jìn)方法，將傾斜攝影和MAX等技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行城市三維建模，最后介紹了利用改進(jìn)方法在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行三維建模的實(shí)踐案例，希望指導(dǎo)和推進(jìn)基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的質(zhì)量改善。

關(guān)鍵詞：無人機(jī) 傾斜攝影測量 三維城市模型 空三加密

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（b）-0055-02

三維城市運(yùn)用描述城市地上景觀的三維模型來表達(dá)數(shù)字城市空間信息，是表達(dá)城市信息的重要載體，對城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和應(yīng)急響應(yīng)有著及其重要的作用，三維城市已經(jīng)展現(xiàn)出其較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的三維城市模型生產(chǎn)制作是結(jié)合遙感影像圖和地形圖，得到精確的、可靠性強(qiáng)的建筑物模型、道路模型及其他景觀小品模型，將組成城市要件的各類三維模型集成為三維城市場景。這種方法適合于普通精度的三維城市建模，但是對于高精度、高仿真、大區(qū)域的建模，傳統(tǒng)方法勢必需要投入更多的作業(yè)人員，其建模速度、效率以及時(shí)效難以滿足三維城市的應(yīng)用。

三維城市建模也可以利用三維激光掃描獲取地面三維幾何數(shù)據(jù)，運(yùn)用激光測距原理快速建立物體三維模型，但是該方法不能解決紋理數(shù)據(jù)獲取和處理的問題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機(jī)交互來完成，無法進(jìn)一步提升城市三維建模質(zhì)量。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 無人機(jī)技術(shù)

無人機(jī)是利用無線電遙控和自動(dòng)程序控制的無人飛機(jī)或飛行器，包括固定翼、多旋翼、飛艇、直升機(jī)等多個(gè)機(jī)種。無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)體重量輕、使用成本低、數(shù)字化和智能化程度高，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域更為廣闊，在快速獲取國土資源、自然環(huán)境、應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)勢數(shù)據(jù)及測繪領(lǐng)域有著突出的效率和優(yōu)勢。

1.2 傾斜攝影技術(shù)

隨著航空攝影技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)擴(kuò)大了遙感影像的應(yīng)用范圍，顛覆了傳統(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的方式，運(yùn)用多角度相機(jī)同步獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率的航攝影像。運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)的三維模型真實(shí)地反映了符合人眼視覺的城市場景，結(jié)合GNSS技術(shù)，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶體驗(yàn)度的同時(shí)大大降低三維城市建模的成本。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）無人機(jī)飛行高度低，多角度相機(jī)組能夠多方位、高覆蓋獲取地物頂面、側(cè)面影像數(shù)據(jù)；（2）相鄰影像間航向重疊度和旁向重疊度高，影像表達(dá)內(nèi)容豐富；（3）少量人工干預(yù)，自動(dòng)化的影像匹配、建模，主要過程由計(jì)算機(jī)完成；（4）實(shí)體側(cè)面紋理可見：傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖主要獲取實(shí)體頂部紋理，而傾斜攝影技術(shù)能夠同時(shí)映射側(cè)面紋理；（5）綜合成本低，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和城市三維模型生產(chǎn)工作上具有更高的效率，減少時(shí)間和人力成本。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維城市建模方法分析

中國、美國及歐洲部分國家正在開展基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的三維城市模型生產(chǎn)和應(yīng)用，對于城市三維建模，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)有以下優(yōu)勢：（1）無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低，能夠滿足多種尺度的攝影測量數(shù)據(jù)采集；（2）能夠快速處理大范圍場景的傾斜影像，建立具有高精度的真三維模型；（3）高分辨率影像自動(dòng)貼圖，提高三維模型的生產(chǎn)效率；（4）可量測、可定位的三維模型，模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和共享應(yīng)用。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)利用航空影像快速數(shù)據(jù)獲取方法，一次性處理多幅影像，建立區(qū)域初始實(shí)景三維模型，該技術(shù)能夠節(jié)約大量人工建模時(shí)間成本，提高三維城市發(fā)展的效率。

利用無人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行三維城市模型生產(chǎn)流程如下。

在實(shí)際的生產(chǎn)處理過程中，受無人機(jī)等設(shè)備、大氣環(huán)境及軟件算法影響，實(shí)際模型會有一定的畸變和錯(cuò)誤，引起視覺誤差和應(yīng)用障礙。主要的模型畸變及原因有：（1）無人機(jī)姿態(tài)變化和顛簸影響影像重疊度、幾何畸變等，造成模型凸包、破洞等；（2）大氣環(huán)境噪聲引起的模型飛面、凸包等；（3）不同時(shí)段光照引起的模型紋理不均勻、破洞等；（4）像主點(diǎn)落水而引起的水面缺失等；（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑等。

引起模型缺陷的原因是多樣化、復(fù)雜的，這也是當(dāng)前階段下基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維城市建模所面臨不可避免的問題，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)快速、高效生產(chǎn)三維城市模型并提高三維城市模型質(zhì)量是亟待解決的問題。

3 基于無人機(jī)傾斜攝影三維城市建模優(yōu)化方法

如上文所述，基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)生產(chǎn)的初始三維模型通常有若干種畸變類型，某些畸變是由工程實(shí)施過程中難以避免的客觀原因造成的，這種情況下，初始生產(chǎn)的實(shí)景三維模型難以滿足應(yīng)用需求。

通過分析三維城市模型建設(shè)現(xiàn)狀和模型成果的缺陷，可知現(xiàn)狀三維城市模型需要改進(jìn)的方面有：（1）幾何修復(fù)：對破洞進(jìn)行修補(bǔ)，凸包抹平并還原，刪除飛面等碎部；（2）細(xì)部整飾：重要地物和標(biāo)志物的三維模型整飾或替換；（3）紋理修補(bǔ)：替換和修補(bǔ)不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。

實(shí)際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復(fù)的過程，如何在幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)的同時(shí)提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問題之一。攝影測量空三加密是根據(jù)若干均勻分布于區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)，運(yùn)用立體測圖技術(shù)，計(jì)算得到匹配加密點(diǎn)的高程和平面位置?？杖用苓^程是基于傾斜攝影測量技術(shù)三維建模重要的步驟，空三運(yùn)算后的影像是經(jīng)過校正和絕對定向了的，多張影像間的同一匹配點(diǎn)能夠準(zhǔn)確疊合，影像上的任一點(diǎn)具有空間幾何信息，即具備定位性質(zhì)和可量測性。系統(tǒng)性的無人機(jī)傾斜攝影測量三維重建成果包括初始化重建三維模型和空三加密成果，兩個(gè)成果間具有內(nèi)在的聯(lián)系，Acute3D、街景工廠及其他傾斜攝影測量軟件通常僅展示空三加密結(jié)果，利用系統(tǒng)性的成果特別是空三加密成果是提升模型質(zhì)量的一個(gè)途徑。開發(fā)一套模型輔助編輯系統(tǒng)，導(dǎo)入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據(jù)空三技術(shù)和空三加密成果的特點(diǎn)，利用空三加密成果，對原始模型缺陷明顯的目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行幾何修復(fù)和紋理修補(bǔ)工作。該編輯系統(tǒng)的核心功能有三維模型同名點(diǎn)搜索、空三影像紋理自動(dòng)提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數(shù)據(jù)為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點(diǎn)，進(jìn)行模型紋理提取和定向、建模。

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于傾斜影像紋理提取快捷，自動(dòng)紋理獲取能夠節(jié)省大量的手動(dòng)處理時(shí)間，系統(tǒng)允許通過同名點(diǎn)將多張影像進(jìn)行穿刺和對比，選擇影像傾斜、變形糾正小的傾斜影像提取紋理并映射；在空三后的影像上繪制地物目標(biāo)的結(jié)構(gòu)線，并通過拉伸等方法實(shí)時(shí)制作三維模型實(shí)體并自動(dòng)貼圖，形成場景三維模型。

4 優(yōu)化方法的建模實(shí)踐

利用上述基于無人機(jī)傾斜攝影測量成果的城市三維模型質(zhì)量優(yōu)化方法，我們在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了三維城市建模的實(shí)踐和驗(yàn)證。

該項(xiàng)目結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)和傳統(tǒng)建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用無人機(jī)低空飛行采集目標(biāo)物頂部高清序列影像，解決了傾斜攝影實(shí)景模型細(xì)節(jié)補(bǔ)充和精細(xì)建模的問題，豐富了建模數(shù)據(jù)采集的手段，滿足了項(xiàng)目對各類數(shù)據(jù)精度的需求。

5 結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)區(qū)三維城市項(xiàng)目中，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)隨著建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動(dòng)化空三及建模使得其在建模的效率上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。但是受不可抗拒因素影響，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)三維模型有一定的限制，模型局部和細(xì)節(jié)缺陷使得傾斜攝影測量三維模型難以滿足應(yīng)用要求，需要研究基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維模型質(zhì)量提升方案，本文主要提出的人工干預(yù)方法和空三成果的輔助應(yīng)用建模優(yōu)化方案已經(jīng)在工程和應(yīng)用項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證，對模型中有明顯缺陷和不足的局部進(jìn)行模型修改和重建，大大提升了三維城市模型生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

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