無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像處理與三維建模的研究

倪明

摘 要：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在多方面已突破了傳統(tǒng)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，并不斷在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新與發(fā)展，通過對(duì)被測(cè)對(duì)象的多方面多角度進(jìn)行探測(cè)并生成三維實(shí)景模型進(jìn)行分析，讓測(cè)量結(jié)果具備全面性與系統(tǒng)性，對(duì)我國各個(gè)領(lǐng)域與行業(yè)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)而深刻的影響且有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。同時(shí)根據(jù)采集處理得到的地物信息，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件處理，可以快速獲得實(shí)物的三維模型，所以將其應(yīng)用到工程改造和城市規(guī)劃建設(shè)中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本文就無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像處理與三維建模中的相關(guān)問題展開了分析探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);傾斜攝影;三維建模;方法

引言

三維模型的構(gòu)建是建設(shè)“數(shù)字城市”的基礎(chǔ)，是城市復(fù)雜信息的空間載體，也是三維空間數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段，其三維數(shù)據(jù)的獲取方式以及模型構(gòu)建方法直接決定了數(shù)字城市建設(shè)的進(jìn)度。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是攝影測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展的新型技術(shù)產(chǎn)物，在飛行器上搭載多臺(tái)傳感器對(duì)建筑物進(jìn)行全方位信息采集，能夠完整地反映建筑物的空間信息和紋理信息，快速生成實(shí)景三維模型，為攝影測(cè)量在城市三維模型的構(gòu)建提供了新思路。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是使用無人機(jī)作為影像傳感器的搭載平臺(tái)，具有便捷、靈活、快速的優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的搭載平臺(tái)，而無人機(jī)結(jié)合自身二維、三維一體化優(yōu)勢(shì)，通過疊加二維矢量面的方式實(shí)現(xiàn)傾斜攝影模型的單體化技術(shù)，而將二維矢量面數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景疊加，可以實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建。

一、無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)與攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，誕生了無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，二者的融合不僅僅擴(kuò)大了遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，同時(shí)還解決了傳統(tǒng)測(cè)量中只能從正射角度采集數(shù)據(jù)的弊端，即實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜五個(gè)維度的影像獲取，使得最終實(shí)物的影像信息具有更高的分辨率。除此之外，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所產(chǎn)生的三維模型可以更好地幫助工作人員進(jìn)行后續(xù)規(guī)劃和建設(shè)工作，同時(shí)結(jié)合其他工程測(cè)量技術(shù)，例如GNSS技術(shù)，可以全面展現(xiàn)地物的三維信息，實(shí)現(xiàn)快速三維建模工作。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量不僅能夠很好地適應(yīng)天氣的變化在一些極端氣候的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量，還能夠在一些較為復(fù)雜的地形進(jìn)行探測(cè)。其具有高度的靈活性與機(jī)動(dòng)性，但它在空中停留的時(shí)間較短，視野受限，所以只適用于小規(guī)模的航攝活動(dòng)。有人機(jī)測(cè)量是以載人飛行器為平臺(tái)對(duì)所研究的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量和攝影的一種技術(shù)，成本昂貴，受限于極端氣候與復(fù)雜地形，但其續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)且攝影視野廣闊，適用于大范圍的航拍活動(dòng)。由此可以看出兩種測(cè)量方式優(yōu)劣互補(bǔ)，兩者結(jié)合使用才能更好地發(fā)揮航拍的作用。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)借助先進(jìn)的定位技術(shù)與科技支持，真實(shí)反映并分析被測(cè)對(duì)象的狀況，從而構(gòu)建出三維實(shí)景模型以研究被測(cè)對(duì)象的各種特征與性質(zhì)，很大程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量的不足。而且在實(shí)踐測(cè)量中選擇無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠節(jié)省人力財(cái)力資源。

相對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有以下幾方面特點(diǎn)：第一，由于可以實(shí)現(xiàn)五個(gè)維度的信息采集，所以獲取的實(shí)物影像和數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，效率也更高;第二，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)少量的人工干預(yù)，大大提升了自動(dòng)化水平，避免了人工操作處理中存在的誤差問題，有效提升了測(cè)繪精準(zhǔn)度;第三，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的投資成本低于其他測(cè)量技術(shù)，這主要體現(xiàn)在人工費(fèi)用降低方面，同時(shí)縮短了測(cè)量周期，使得成本得以降低。

二、基于無人機(jī)傾斜攝影的快速三維建模方法

（一）起始數(shù)據(jù)的處理

起始數(shù)據(jù)處理是三維建模得以正常有序進(jìn)行的前提，其主要包括多視影像、POS數(shù)據(jù)等，具體需要對(duì)這些數(shù)據(jù)成果進(jìn)行處理和保存，處理工作要確保其航向重疊度在80%以上，旁向重疊度在50%以上。在進(jìn)行存儲(chǔ)管理時(shí)，需根據(jù)不同相機(jī)的視角進(jìn)行分類儲(chǔ)存，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)檢索。另外，在數(shù)據(jù)處理和保存中會(huì)由于數(shù)據(jù)大量累積而出現(xiàn)誤差和失真問題，此時(shí)需要加入POS數(shù)據(jù)和外控點(diǎn)成果對(duì)其進(jìn)行控制。

（二） 空中三角測(cè)量

傳統(tǒng)的影像數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用同名像點(diǎn)自動(dòng)量測(cè)算法，但是對(duì)于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量而言，由于其捕獲的影像數(shù)據(jù)不單單是正視角度，還包含傾斜角度的影像，所以傳統(tǒng)的算法顯然無法滿足實(shí)際需要，此時(shí)需要以瞬間POS系統(tǒng)觀測(cè)值作為多角度影像數(shù)據(jù)的初始方位元素，以此為基礎(chǔ)計(jì)算各個(gè)像元的坐標(biāo)信息，同時(shí)根據(jù)影像之間的眾多連接點(diǎn)位，結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)位，經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)平常處理，生成控三報(bào)告，最終為指導(dǎo)圖像空間結(jié)構(gòu)布局和三維建模奠定基礎(chǔ)。

（三） 密集點(diǎn)云的生成

所謂密集點(diǎn)云，實(shí)際是通過多視影像匹配處理所得到，再經(jīng)過相應(yīng)算法構(gòu)建表面模型DSM，以便于后續(xù)的影像生成。在獲取DSM數(shù)據(jù)后，還需要進(jìn)行濾波處理，即通過將不同匹配的單元進(jìn)行融合處理，最終得到統(tǒng)一的DSM。在實(shí)際的操作和處理中，存在部分影像數(shù)據(jù)遮擋或缺失的情況，這會(huì)對(duì)后續(xù)三維建模造成嚴(yán)重影響，具體需要人工編輯修正處理和控制，以降低問題出現(xiàn)的概率。根據(jù)已有的密集點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，點(diǎn)云重疊信息的多少?zèng)Q定了所構(gòu)建三角網(wǎng)的復(fù)雜程度，重疊度越高，三角網(wǎng)越復(fù)雜密集;而地物、地貌的復(fù)雜程度越高，三角網(wǎng)的復(fù)雜程度也越高。

（四）構(gòu)建TIN模型

在構(gòu)建TIN模型前，需要對(duì)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，以便于提升模型建立的精準(zhǔn)度，后續(xù)開展模型建立如下所示：第一，利用同一地物不同角度的影像信息，采用參考影像不固定的匹配策略逐像素匹配;第二，基于多視匹配的冗余信息，避免遮擋對(duì)匹配產(chǎn)生的影響，再引入并行算法提高計(jì)算效率以快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);第三，基于點(diǎn)云構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度下的TIN模型，通過對(duì)三角網(wǎng)優(yōu)化，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨相匹配的比例，同時(shí)通過對(duì)連續(xù)曲面變化的分析對(duì)相對(duì)平坦地區(qū)的三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低數(shù)據(jù)冗余，獲得TIN模型矢量架構(gòu)。

（五） 自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)

紋理關(guān)聯(lián)是三維重建的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，直接決定著三維重建模型的視覺效果，而傾斜攝影測(cè)量獲取的影像，在色調(diào)、亮度上存在較大差異，城市地物較多，在影像上反映的紋理特征更為復(fù)雜，而模型構(gòu)網(wǎng)后模型數(shù)據(jù)量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在遮擋、碎部細(xì)小三角形較多，給紋理重建帶來較大難度，所以在紋理映像時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循“最小成像角”原則選擇最佳紋理影像，利用模型自遮擋監(jiān)測(cè)、模型簡(jiǎn)化消除“邊界污跡”、無效三角面元剖分解決局部區(qū)域紋理現(xiàn)象。自動(dòng)紋理映射主要基于瓦片技術(shù)，即將整個(gè)建模區(qū)域分割成若干個(gè)一定大小的瓦片，基于集群處理系統(tǒng)的并行處理機(jī)制將每個(gè)瓦片打包建立成為一個(gè)任務(wù)自動(dòng)分配給各計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型與紋理影像的配準(zhǔn)和紋理貼附，同時(shí)為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)、多層次的LOD，便于優(yōu)化相應(yīng)的文件組織結(jié)構(gòu)，提高模型分層次瀏覽的效率，生成最終的三維場(chǎng)景。

三、結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以為城市規(guī)劃和建設(shè)提供有效指導(dǎo)，具體通過快速實(shí)現(xiàn)三維建模，提供建設(shè)和規(guī)劃所需的影像數(shù)據(jù)信息，幫助設(shè)計(jì)工作人員開展規(guī)范設(shè)計(jì)工作。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，未來無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在三維建模方面將有更好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭峰.無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市三維建模及三維數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用[J].智能建筑與智慧城市，2018，（10）：149-150.

[2]鄭史芳，黎治坤.結(jié)合傾斜攝影技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2018，（8）：88-92.

[3]徐志豪.消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影三維建?？尚行匝芯縖J].北京測(cè)繪，2018，32（8）：897-904.