傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在三維建模研究中的應(yīng)用

王黎瀟

(青海省不動(dòng)產(chǎn)登記事務(wù)中心，青海 西寧 810000)

0 前 言

“數(shù)字城市”建設(shè)成果在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，并且以直觀、可視化、信息更加豐富為顯著特點(diǎn)的“三位數(shù)字城市”建設(shè)成果，成為應(yīng)用創(chuàng)新的推動(dòng)劑。通過(guò)實(shí)施三維數(shù)字城市項(xiàng)目，提供現(xiàn)狀三維模型，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建一個(gè)充分直觀展示城市地形地物和城市形態(tài)的數(shù)字化可視平臺(tái)，為城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市運(yùn)營(yíng)管理提供數(shù)據(jù)支持和決策參考[1-2]。

在國(guó)內(nèi)外測(cè)繪領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為最新的一項(xiàng)新的測(cè)繪技術(shù)，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中起到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在城市三維模型制作方面，該技術(shù)有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的發(fā)展方向[3-6]。本研究選擇河南省省會(huì)鄭州市下轄上街區(qū)作為研究區(qū)，重點(diǎn)研究的是無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在三維建模中的作業(yè)流程和作業(yè)方式。

本研究為今后國(guó)內(nèi)外開(kāi)展類(lèi)似區(qū)域的城市三維模型制作提供了技術(shù)參考及依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

河南省鄭州市上街區(qū)位于河南省豫東平原和豫西丘陵的交界地帶，經(jīng)度為113(°)14(′)45(″)～113(°)19(′)05(″)N，緯度為34(°)35(″)～34(°)40(″)E之間。上街區(qū)創(chuàng)立于上世紀(jì)50年代，主要是國(guó)家根據(jù)第2個(gè)5年計(jì)劃而創(chuàng)立的新型工業(yè)型城區(qū)，他距離河南省鄭州市主城區(qū)38 km，西距離河南省洛陽(yáng)市78 km，他是鄭洛工業(yè)走廊的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)城鎮(zhèn)。截止到2016年，上街區(qū)面積為65 km2，現(xiàn)轄一個(gè)峽窩鎮(zhèn)，有5個(gè)辦事處，人口15萬(wàn)。

2 研究方法

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的原理及優(yōu)點(diǎn)

自從21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外測(cè)繪和地理信息領(lǐng)域也在飛速進(jìn)度，而無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是則是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)方向。

以往的數(shù)字正攝影像只能從垂直角度拍攝，而該技術(shù)徹底顛覆了這種拍攝角度的局限性。一般來(lái)說(shuō)無(wú)人機(jī)傾斜攝影搭載至少5臺(tái)攝影相機(jī)：1個(gè)下視以及4個(gè)側(cè)視。這種組合方式的優(yōu)點(diǎn)就在于可以從不同的角度去采集數(shù)據(jù)，從而獲得更加完整的信息。通過(guò)算法重建地面的實(shí)景真三維模型，引入更加符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界[7]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)如下。

1)無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以快速、高精度的反映研究區(qū)的真實(shí)狀況，相比于數(shù)字正攝影像，他可以從不同的角度去獲取數(shù)據(jù)，顯示效果更加真實(shí)、立體，從而極大彌補(bǔ)正攝影像應(yīng)用的狹隘性。

2)在測(cè)繪領(lǐng)域單張影像的快速測(cè)量，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以快速的實(shí)現(xiàn)。在傾斜攝影測(cè)量工作中，可以直接測(cè)量物體的角度、坡度、面積、長(zhǎng)度、寬度、高度等各個(gè)方面，該項(xiàng)技術(shù)快速、并且精度高，極大的拓展了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪和地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用。

3)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以對(duì)建筑物的立面和側(cè)面的紋理進(jìn)行采集。以往城市三維建模工作，都是由人工采集紋理數(shù)據(jù)，再進(jìn)行三維建模，這種作業(yè)方式效率低，成本高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以應(yīng)用在三維建模領(lǐng)域，利用無(wú)人機(jī)航空攝影可以快速大面積成圖的優(yōu)點(diǎn)，以及對(duì)建筑物的立面和側(cè)面的紋理進(jìn)行采集的方式，可以極大地提高三維建模效率并降低了其成本。

4)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)所收集的數(shù)據(jù)極易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并且數(shù)據(jù)量小。以往的傳統(tǒng)人工三維建模工作，往往因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，操作不方便。而傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)要小的多，這樣的話可以將獲取的數(shù)據(jù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

5)應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)既可以反映測(cè)區(qū)的真實(shí)地表情況，并且該技術(shù)包含過(guò)高精度的定位系統(tǒng)，在實(shí)際飛行中可以賦予成果數(shù)據(jù)高精度的空間地理信息，極大擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅僅是在測(cè)繪與地理信息行業(yè)，在其他相關(guān)行業(yè)也可以得到應(yīng)用。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)最近幾年的快速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土勘查、城市建設(shè)、規(guī)劃等諸多行業(yè)。

2.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)介紹

多旋翼無(wú)人機(jī)相當(dāng)于橫列式直升機(jī)，是一種具有3個(gè)及以上旋翼軸的特殊無(wú)人駕駛直升機(jī)。多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)每個(gè)軸上的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋翼并產(chǎn)生升推動(dòng)力。其通過(guò)改變不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，可改變單軸推進(jìn)力的大小，從而控制飛行器的運(yùn)行軌跡。他的旋翼的總距是固定的，不可變的。多旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降和空中懸停直升機(jī)的優(yōu)良飛行性能，并且不需要機(jī)場(chǎng)。其飛行的姿態(tài)比較平穩(wěn)，飛行的高度較低，基于多旋翼無(wú)人機(jī)的傾斜攝影系統(tǒng)能夠快速的取得被拍攝物體的細(xì)節(jié)紋理及多角度的高清影像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維模型建模具有紋理清晰、相對(duì)關(guān)系準(zhǔn)確、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在一定程度上能夠滿足測(cè)量和模型制作的精度要求。

2.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維建模

2.3.1 傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

該技術(shù)是基于影像的三維建模技術(shù)的一種，基于影像的三維建模技術(shù)大致步驟分為：①特征點(diǎn)提取與相對(duì)定向；②投影重建與相機(jī)標(biāo)定；③密集匹配；④重建三維模型。

其中，第1步從給定影像中自動(dòng)檢測(cè)出可靠且充分密集的連接點(diǎn)，利用連接點(diǎn)對(duì)大量影像進(jìn)行自動(dòng)重定向；第2步根據(jù)重定向結(jié)果進(jìn)行投影重建，標(biāo)定相機(jī)位置等信息；第3步通過(guò)CMVS(cluster multi-view stereo)、PMVS(patch-based multi-view stereo)等算法進(jìn)行密集匹配；第4步從點(diǎn)云通過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型得到目標(biāo)三維模型。

2.3.2 模型自動(dòng)化生產(chǎn)

1)模型創(chuàng)建：標(biāo)定相機(jī)位置，重新建立投影關(guān)系完成后，將數(shù)據(jù)提交到Smart3D軟件進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)行影像拼接和模型創(chuàng)建。

2)特征檢測(cè)與自動(dòng)匹配：Smart3Dcapture采用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)、縮放不變性特征提取及匹配算子，并行高效的實(shí)現(xiàn)影像自動(dòng)特征點(diǎn)檢測(cè)及匹配。

3)空三解算與點(diǎn)云重建：無(wú)需POS數(shù)據(jù)高效并行解算像片外參數(shù)及稀疏點(diǎn)云重建。在完成空三后，將傾斜攝影數(shù)據(jù)輸入服務(wù)器，直接生產(chǎn)傾斜攝影模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定人工干預(yù)和修飾。

4)稠密點(diǎn)云生成：自動(dòng)生成大場(chǎng)景稠密光學(xué)點(diǎn)云，精度高，完整性好。

5)重建散亂數(shù)據(jù)表面。

6)無(wú)縫映射紋理。

7)全自動(dòng)勻光勻色。

8)真三維模型數(shù)據(jù)瓦片化。

將原始三維數(shù)據(jù)采用金字塔+四叉樹(shù)的策略切割成多級(jí)碎片文件，無(wú)縫的建立LOD節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)瀏覽及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以O(shè)SGB格式輸出。

本研究采用的傳感器可以從前后左右以及垂直5個(gè)角度來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，直接測(cè)量物體的角度、坡度、面積、長(zhǎng)度、寬度、高度等各個(gè)方面。從而得到所拍攝的物體最真實(shí)的三維形態(tài)，為三維建模提供了高分辨率、高精度的數(shù)據(jù)來(lái)源。目前，StreetFactory和Smart 3D Capture為目前國(guó)內(nèi)外傾斜攝影行業(yè)所應(yīng)用的主要處理軟件[8]。

2.3.3 研究結(jié)果與精度檢驗(yàn)

根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，本研究采集了對(duì)于測(cè)區(qū)2 km2范圍內(nèi)的地物。在Smart 3D Capture軟件支持下，基于傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，最終完成了研究區(qū)的城市三維模型制作工作。

本研究中抽樣20個(gè)外業(yè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)于所抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面及高程精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。經(jīng)驗(yàn)證，平面高程X精度為0.41 m，Y精度為0.39 m，高程精度為0.44 m，數(shù)據(jù)精度符合項(xiàng)目要求。

3 結(jié)論與討論

以往的城市三維建模采用的是3dsMax、SketchUp等。主要是基于地形圖、航拍影像、人工采集圖片或者是激光三維掃描等方式來(lái)進(jìn)行人工手動(dòng)建模。精度低、效率慢、模型容易失真、紋理變化大、生產(chǎn)成本高等種種缺點(diǎn)使得該方式無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

表1 三維建模精度測(cè)量 cm

在無(wú)人機(jī)傾斜攝影領(lǐng)域，由于其采集數(shù)據(jù)方式范圍廣、精度高、分辨率高等種種優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在測(cè)繪領(lǐng)域廣泛開(kāi)展應(yīng)用，并應(yīng)用于許多復(fù)雜城市場(chǎng)景，均取得了不錯(cuò)的效果。并且該技術(shù)通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率，降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)成本代價(jià)，提高了作業(yè)時(shí)間。基于以上優(yōu)點(diǎn)，隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)最近幾年的快速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土、城市建設(shè)、規(guī)劃等諸多行業(yè)。

本研究為今后國(guó)內(nèi)外開(kāi)展類(lèi)似區(qū)域的城市三維模型制作提供了技術(shù)參考和依據(jù)。