基于多源數(shù)據(jù)融合的高精細(xì)實景三維建模技術(shù)

張小宏，馬立華，陳豐田，韋樹剛，王 娜

(1. 青海省地質(zhì)測繪地理信息院，青海 西寧 810012；2.青海省高原測繪地理信息新技術(shù)重點實驗室,青海 西寧 810012)

利用無人機搭載多鏡頭傳感器進行傾斜攝影并快速生成實景三維模型是近幾年航空攝影測量行業(yè)的技術(shù)延伸，也是相關(guān)三維建模技術(shù)領(lǐng)域中的一項革命性突破。但是由于無人機所采集到的數(shù)據(jù)源與三維建模軟件解算方面的相輔關(guān)系，對被測物相對較小、較復(fù)雜而且面積較大的微地貌而言，常規(guī)的數(shù)據(jù)獲取方式及建模方法最終生成的模型效果不太理想。

青海省的油氣輸送管道分布地域廣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且涵蓋多種地貌特征。在管道輸送途中，分布著多種類型的場站、閥室等重要關(guān)鍵點，并且場站內(nèi)除了廠房以外，附著在地面上的大小管道、閥門錯綜復(fù)雜。針對這類情況，利用無人機搭載多鏡頭傾斜攝影設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，并且高效地建立達(dá)到cm級的三維實景模型，在技術(shù)方法上還有待于進一步探索。

本文依托青海省高原測繪地理信息新技術(shù)重點實驗室，對分布在青海省內(nèi)的200余處油氣管線關(guān)鍵點進行高精細(xì)模型的建立，作為管線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探索出一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)源采集方法和多源數(shù)據(jù)融合的建模技術(shù)，并將這種“高精細(xì)、高效率、低成本”的三維模型建立方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)當(dāng)中。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際地理信息領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其克服傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)只能從單一角度拍攝的局限性，通過對地物進行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。

相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況，還能直接基于影像進行各種量測，如高度、長度、面積及實際坐標(biāo)等。因此，傾斜影像極大的彌補了基于正射影像的應(yīng)用的不足，為用戶提供更豐富的地理信息，更友好體驗，如圖1所示。

圖1 左為正射影像，右為傾斜影像

2 作業(yè)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由4大部分組成：第一部分為飛行平臺，采用多旋翼無人機為傳感器搭載平臺；第二部分為傳感器設(shè)備，其中包括高分辨率五拼相機模塊、高分辨率單相機模塊； 第三部分為飛控平臺，包括航線設(shè)計、飛行控制平臺，地面監(jiān)控系統(tǒng)等；第四部分為操作人員，包括飛行器操控人員、飛控輔助人和地面指揮人員。

2.2 內(nèi)業(yè)處理

本次三維建模軟件采用Smart3D ContextCapture，它是一款全自動三維建模軟件。它可以利用無人機或其它方式采集到的影像數(shù)據(jù)生成具有高分辨率的真實三維模型，生成的三維模型效果取決于采集到的數(shù)據(jù)源是否符合軟件要求。在生產(chǎn)過程中整個處理過程相對智能化，數(shù)據(jù)處理人員在具體工作時只需將所采集到的數(shù)碼照片按照一定的要求將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到程序中，另外加入幾項必要數(shù)據(jù)，如焦距、傳感器尺寸、控制點等就能完成實景建模工程建立。

2.3 工藝流程

數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)處理是本文中的兩大關(guān)鍵步驟，其中的技術(shù)創(chuàng)新點是本文探索的重點。工藝流程及項目實施過程如圖2所示。

圖2 工藝流程

3 數(shù)據(jù)分析與技術(shù)改進

3.1 傳統(tǒng)采集方式及三維建模效果

隨著傾斜攝影技術(shù)的逐漸成熟，其在礦山、村莊、建筑物群等大面積測量中得到廣泛應(yīng)用，對于宏觀地貌的處理，在精度要求不高的條件下傾斜攝影技術(shù)能達(dá)到不錯的效果，但對于微地貌、細(xì)小的地物，尤其是大面積錯綜復(fù)雜的細(xì)小物體得不到很好的表現(xiàn)，例如大面積覆蓋在地面上直徑在10～20 cm左右的管道、閥門等；如果單個對其進行影像獲取再進行逐個建模、數(shù)據(jù)合并，在精度的統(tǒng)一及工作效率上都得不到保證。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是采用自主航線飛行，這種方式是飛行器通過地面站控制，搭載多鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)進行航線飛行，是全自主的智能航線飛行。它首先在地面站軟件中根據(jù)被攝對像的范圍及精度要求設(shè)置飛行航線，飛行平臺根據(jù)航線參數(shù)自動計算出航高、重疊、分辨率等參數(shù)指標(biāo)。飛行器在空中作業(yè)飛行時在同一曝光點上獲取不同角度的多張照片，并且每個曝光點上的前后關(guān)系符合傾斜攝影航向及旁向重疊度的要求。

特點：飛行器較大，載荷能力強，搭載的傳感器在每個曝光點同時可以完成5張照片的拍攝，作業(yè)飛行時單架次飛行面積相對較大、航線自動生成、飛行中時刻由GPS精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、飛行效率高、影像重疊度良好，而且抗風(fēng)性強，采集效率高。

缺點：由于自主航線飛行，航高和拍攝角度無法靈活掌握、無法滿足超低空飛行，分辨率無法有效提高；雖然同時有5張不同角度的影像，但覆蓋面還是不夠靈活，對地面上微小附著物及遮擋的地物無法獲取影像。最終采集到的影像經(jīng)過后期解算，生成的模型在細(xì)節(jié)方面扭曲變形，達(dá)不到理想效果，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)采集方法建模效果

3.2 多源數(shù)據(jù)融合精細(xì)化三維建模

多源數(shù)據(jù)融合是采用多種方式進行數(shù)據(jù)采集合并處理的方法。此次為了達(dá)到“高精細(xì)、高效率、低成本”的特點，針對200多處大型場站的精細(xì)化建模是本文的重點。所涉及到的場站面積較大，建筑物及管道錯綜復(fù)雜，要達(dá)到既能提高效率又能使微地貌得到精細(xì)化建模，就要利用多種方式融合的方式進行采集。

采用“高空大面積航線法”、“低空手動疊加法”、“局部針對性環(huán)繞法”采集等方法，并且根據(jù)被測對象的不同采用“環(huán)內(nèi)環(huán)”、“上下環(huán)”等不同采集模式，甚至有時要進行必要的地面手動拍攝。最后將這幾種不同的數(shù)據(jù)在軟件中進行匹配和融合，達(dá)到精細(xì)化三維實景模型預(yù)期的目標(biāo)。采集方式如圖4所示。

圖4 多源數(shù)據(jù)采集

此方法利用了小型多旋翼無人機搭載高清相機完成，其目的是最大地降低飛行高度，靈活捕捉被攝物體的各個面。飛行高度可降低在離地面10 m以下，必要時貼近被攝物體3 m左右進行飛行采集。Smart3D ContextCapture實景三維處理軟件為了更好地進行空三解算，需要符合軟件算法要求的影像數(shù)據(jù)，因此在照片數(shù)據(jù)的采集工作上無論采用什么方法均需保證影像的重疊度和連續(xù)性。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用以上不同的采集方法獲取的影像數(shù)據(jù)，如何在Smart3D ContextCapture中進行融合處理也是本次探索的關(guān)鍵。本次油氣管線項目采集到的影像共有3種以上數(shù)據(jù)源，分別是多旋翼無人機搭載5拼相機進行高空航線飛行的數(shù)據(jù)；小型四旋翼無人機搭載單鏡頭像機超低空飛行數(shù)據(jù)；以及手動超低空環(huán)繞飛行數(shù)據(jù)等等。

1)空三解算。在數(shù)據(jù)處理流程上，把以上幾種方式采集到的數(shù)據(jù)進行分類，并導(dǎo)入到后處理軟件，保持文件夾的路徑為非中文路徑(中文路徑會在軟件運行中出現(xiàn)識別錯誤)。在工程準(zhǔn)備完成后提交空中三角測量,軟件會根據(jù)數(shù)據(jù)源提取大量特征點，并采用多視角匹配同名點，進行自由網(wǎng)平差，平差完成后可以反向解算出圖片的空間位置和姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系。

通常在ContextCapture中運算大數(shù)據(jù)量時，由于航片重疊度、清晰度以及數(shù)據(jù)源等問題，空三加密有可能會失敗或部分失敗，主要表現(xiàn)在航帶分層、加密點漂移、相對位置不正確等。多個架次的多源數(shù)據(jù)融合在一起進行三維建模時，由于不同架次、不同航高、不同角度、不同設(shè)備等多種不同數(shù)據(jù)源，空三加密有可能無法保證。這個時候就需分架次進行解算，創(chuàng)建多個Block，分別進行空三加密運算。這時，如果數(shù)據(jù)有分層現(xiàn)象可以將影像組件構(gòu)造模式改為多步后再進行一次空三處理。如果空三加密點相對位置不正確或者漂移，不是中心區(qū)域，可在生成模型的時候劃除在范圍外，若是中心區(qū)域可以刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的圖片，完成后再做一次空三處理。

分別空三加密完成后，最后將不同數(shù)據(jù)源的幾個Block的數(shù)據(jù)融合在一個Block中輸入分開解算好的航片位置與姿態(tài)信息，再進行一次空三加密。這樣就能解決不同方式、多源數(shù)據(jù)融合難的問題。如圖5為空三解算工程。

圖5 空三解算工程

2)加入控制點。在多源數(shù)據(jù)融合空三加密之后，將控制點坐標(biāo)編輯成特定格式的TXT文本導(dǎo)入工程中，選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系(特定格式：第一列為點號，第二列為x坐標(biāo)，第三列為y坐標(biāo)，第四列為z坐標(biāo)，中間用一個空格隔開)，這樣可以很快找到控制點的大概位置再對照刺點片進行微調(diào)，在加入全部控制點后再進行一次空三加密過程，最終完成控制網(wǎng)平差。

3)模型建立貼圖。多源融合數(shù)據(jù)在Smart3D軟件中通過空中三角測量計算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成無紋理的白模，再通過三維模型的形狀位置從航片里面選取對應(yīng)的紋理進行貼合，最后輸出紋理逼真的實景三維模型。如果輸出模型的時候單個瓦片數(shù)據(jù)量大于電腦內(nèi)存，則建議將模型切分為多個瓦片運行，這樣可以提高電腦運行效率，并且便于編輯瓦片、更新數(shù)據(jù)。用Smart3D軟件完成模型數(shù)據(jù)后，導(dǎo)出OBJ、OSGB和XML文件，再利用3DMAX、CoModeler等軟件進行編輯，對一些效果不好的瓦片修改完善，修改完成后將OBJ和OSGB文件導(dǎo)入到Smart3D中重新融合輸出，便可以完成一個效果較好的實景三維的建設(shè)。如圖6為多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果，模型層次分明，微地貌精細(xì)度處理效果良好。

圖6 多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果

4 結(jié)束語

無人機傾斜攝影及實景三維建模技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但由于該技術(shù)采用自動化建模方式，對于細(xì)節(jié)方面的解算還存在著一些不足,也是軟件無法解決的問題，本質(zhì)是對數(shù)據(jù)源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。例如:建筑物稠密的地區(qū)、環(huán)境復(fù)雜的工廠、附著于地面的微地貌等，要想提高精細(xì)度，就需要在數(shù)據(jù)源獲取方式上采用特殊的方法，并且在后期數(shù)據(jù)處理上采用不同方法。因此，采用多種采集方法相結(jié)合的模式，必要時將三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)作為高精度擬合數(shù)據(jù)源，最終生產(chǎn)出高精細(xì)的實景三維模型。