基于無人機(jī)航測的區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)

鄧強(qiáng) 張?zhí)?/p>

摘 要：本文主要研究基于無人機(jī)航測的區(qū)域場景三維快速建模方法，利用主流數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行無人機(jī)航測數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而得到紋理清晰逼真、滿足快速三維建模要求的實(shí)景三維模型。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測;區(qū)域場景;三維建模

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0021-03

Abstract： This paper mainly studied the rapid 3D modeling method of regional scene based on UAV aerial survey， used the mainstream data processing software to process UAV aerial survey data， and then obtained the real scene 3D model with clear and realistic texture and meeting the requirements of rapid 3D modeling.

Keywords： UAV aerial survey;regional scene;fast 3D modeling

1 研究背景

目前，三維建模與仿真技術(shù)已逐漸應(yīng)用于應(yīng)急管理等公共安全領(lǐng)域。因?yàn)閼?yīng)急場景受周圍因素的影響較大，傳統(tǒng)的三維建模方法難以開展，而且計(jì)算效率低，難以滿足快速建模的需要[1]。無人機(jī)航測靈活性較高，短時間內(nèi)可獲取大量應(yīng)急場景內(nèi)高分辨率圖像，使得快速獲取應(yīng)急場景內(nèi)的數(shù)據(jù)成為可能，因此利用無人機(jī)航測實(shí)現(xiàn)區(qū)域場景快速三維建模變得極有意義[2]。

三維實(shí)景建模軟件Context Capture集自動化、并行處理、多種影像兼容性、遠(yuǎn)程管理等特點(diǎn)于一身[3]，因此本文將該軟件用于圖像的批量導(dǎo)入。為了實(shí)現(xiàn)對未知密閉空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測，吳笛等人利用移動平臺搭載兩路激光測距傳感器采集數(shù)據(jù)，并將獲得的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)三維建模[4];宋書芳利用激光掃描測距技術(shù)，大面積采集城市建筑物的三維數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了建筑物的三維建模[5]。本文通過研究無人機(jī)航測技術(shù)，加強(qiáng)影像識別能力和提高圖像去噪效果，最終實(shí)現(xiàn)了區(qū)域場景快速三維建模。

2 快速三維建模數(shù)據(jù)要求

2.1 數(shù)據(jù)格式要求

為了便于對成果數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽與分析，快速三維建模數(shù)據(jù)成果為OSGB格式。

2.2 模型精度設(shè)計(jì)要求

2.2.1 平面精度。模型相對于最近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于0.30 m，模型點(diǎn)與鄰近模型點(diǎn)間距中誤差不大于0.30 m。

2.2.2 高程精度。模型基準(zhǔn)面高程相對于最近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于0.20 m，模型高度中誤差不大于0.20 m。

2.3 質(zhì)量設(shè)計(jì)要求

快速三維建模數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間精度要滿足技術(shù)設(shè)計(jì)精度指標(biāo)的要求，模型紋理滿足合理的視覺感官觀察要求（距離觀察點(diǎn)約300 m）。

2.3.1 各類主要地物地形的模型視覺效果。各種主地面地形的模型視覺效果應(yīng)符合下列要求：①大型標(biāo)志性建筑外形應(yīng)完整表示，不宜出現(xiàn)明顯殘缺;②住宅樓外形應(yīng)完整，無明顯殘缺，樓宇之間無粘連;③道路應(yīng)完整表達(dá)，在無干擾區(qū)域不宜出現(xiàn)嚴(yán)重變形;④地貌應(yīng)保證無干擾區(qū)域。

2.3.2 模型允許的缺陷。利用無人航測技術(shù)的方法構(gòu)建實(shí)景三維模型，實(shí)質(zhì)是依靠同名點(diǎn)匹配構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，結(jié)合空間交會的方法獲取特征點(diǎn)位的空間位置。這種建模方法解決了三維造型的生產(chǎn)效率問題，它與經(jīng)典手工建模的實(shí)質(zhì)區(qū)別在于所有實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)都由計(jì)算機(jī)按照程序算法構(gòu)建，大量模型數(shù)據(jù)不需人工識別構(gòu)建。該技術(shù)手段存在一定程度的視覺缺陷。

第一，影像分辨率影響。模型中會出現(xiàn)表示不完整、扭曲變形的圖像;圍墻、垣柵在不同地域會出現(xiàn)不同程度的破損、間斷，過薄地物（廣告牌、墻體、棚房邊緣等）沒有完整、連貫表示出來等情況。

第二，時間獨(dú)立性影響。由于車輛移動和行人相關(guān)區(qū)域（如道路、停車場、廣場等）受時間獨(dú)立性的影響，因此物體在運(yùn)動過程中會產(chǎn)生變形的情況。

第三，強(qiáng)反光體隨機(jī)反射性影響。受強(qiáng)反光體（玻璃窗、玻璃墻、水面）隨機(jī)反射性影響，航攝影像中紋理細(xì)節(jié)缺失會造成模型失真。

第四，攝影角度局限性影響。傾斜攝影的斜視鏡頭一般有38°～45°的夾角，當(dāng)物體距離較近時會產(chǎn)生照相死角，導(dǎo)致影像紋理缺失，造成模型粘連失真、密集建筑群內(nèi)的建筑粘連、建筑與相鄰過近的樹木粘連等情況，紋理顯示不合理。

3 快速三維模型自動化生產(chǎn)流程方案

數(shù)據(jù)處理過程包括原始數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、平差處理、三維模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理用到的輸入數(shù)據(jù)包括原始航飛影像、影像的外方位元素、相機(jī)參數(shù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)以及測區(qū)邊界等。

3.1 數(shù)據(jù)檢查

對提交的航攝成果進(jìn)行整體檢查，檢查項(xiàng)及內(nèi)容如表1所示。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括影像索引信息文件的制作和影像勻光處理。

3.2.1 影像索引信息文件制作。在數(shù)據(jù)檢查的基礎(chǔ)上，對經(jīng)緯度信息和照片文件無法逐一剔除對應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時制作影像索引信息文件。這些信息包括影像物理存儲地址、初始外方位元素信息及姿態(tài)信息。在Context Capture軟件中通過影像索引信息文件的導(dǎo)入即可實(shí)現(xiàn)影像的批量導(dǎo)入。

3.2.2 影像勻光處理。無人機(jī)航測進(jìn)行快速三維建模通常使用傾斜攝影方法，拍攝的影像包括下視鏡頭影像和傾斜鏡頭影像。傾斜攝影中大氣對光的折射、吸收和散射直接影響影像的色差、反差、影調(diào)和清晰度，因此在大多數(shù)情況下，傾斜影像和下視影像會存在一定色調(diào)差異。為此，需要將影像根據(jù)不同類型分別制作對應(yīng)色調(diào)模板進(jìn)行批量勻光處理，以保證影像紋理細(xì)節(jié)信息不丟失，無過度曝光或破壞色彩平衡現(xiàn)象，同時較好地實(shí)現(xiàn)影像一致性。

經(jīng)過批處理使影像清晰、亮度統(tǒng)一、色彩飽和度適中，可以滿足模型生產(chǎn)需要。

3.3 平差處理

平差處理的主要目的是實(shí)現(xiàn)所有影像數(shù)據(jù)的絕對定向，建立絕對位置關(guān)系，為三維建模提供絕對定向參數(shù)。首先不引入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，在外方位元素的支持下進(jìn)行一次自由網(wǎng)平差，保證相鄰圖像、不同視角圖像之間建立較強(qiáng)的連接關(guān)系，然后引入控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過平差處理，能保證整個測區(qū)數(shù)據(jù)的絕對位置精度。對于整測區(qū)平差處理無法直接通過的，先進(jìn)行分測區(qū)處理，再進(jìn)行平差結(jié)果合并，并對合并結(jié)果進(jìn)行一次整體平差處理。

3.4 三維模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化

經(jīng)過空三加密后獲取了大量高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行切塊分割，對分割區(qū)塊內(nèi)的密集點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN），并生成無紋理的三維模型。

基于Context Capture強(qiáng)大的紋理映射算法對每個模型的三角面自動賦予紋理。因?yàn)樗杏跋窬哂芯_的位置信息，所以Context Capture可在全部候選影像中自動快速地選取最清晰的紋理貼在對應(yīng)位置的城市實(shí)景三維模型面上，最后輸出紋理清晰的實(shí)景三維模型。

為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)的處理能力，提高建模速度，將整個建模范圍按45 m×45 m的大小分塊切片，切片結(jié)果采用OSGB格式存儲。為了滿足后續(xù)生產(chǎn)數(shù)字線劃圖（Digital Line Graphic，DLG）的需要，將數(shù)據(jù)輸出為數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），采用TIFF格式存儲。

4 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文提出的無人機(jī)航測區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)的有效性，擬定試驗(yàn)平臺為MATLAB R2019b，采用Context Capture系統(tǒng)，選擇某城市的公園、大型商場及學(xué)校進(jìn)行三維建模分析。

4.1 影像識別對比

設(shè)置網(wǎng)速為200 Mb/s，圖像運(yùn)維分量為11.379，測試本文方法與文獻(xiàn)[4]方法、文獻(xiàn)[5]方法的影像識別能力，具體仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，本文提出的方法可以準(zhǔn)確地識別影像信息，并且圖像清晰分類偏差處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可以達(dá)到97%，由此證明無人機(jī)航測具有優(yōu)越性。

4.2 峰值信噪比

在區(qū)域場景三維建模過程中，由于各個方法的操作過程不同，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)定向效果不同，峰值信噪比有所差異。影像分類峰值信噪比的具體仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，與另外兩種方法相比，本文提出的方法的圖像分類復(fù)雜度較低，峰值信噪比保持在25 dB以上，說明利用本文方法進(jìn)行圖像去噪具有突出的優(yōu)勢。

4.3 三維建模時間對比

為了更加全面地驗(yàn)證無人機(jī)航測的區(qū)域場景三維建模的優(yōu)越性，重點(diǎn)對比3種方法的三維建模時間，具體仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，由于無人機(jī)航測利用數(shù)據(jù)平差的方式對識別影像逐層進(jìn)行分解重構(gòu)，因此可以有效地對區(qū)域場景影像進(jìn)行去噪處理，促使無人機(jī)航測的區(qū)域場景實(shí)現(xiàn)快速三維建模，效率明顯高于另外兩種方法。

5 結(jié)語

在對區(qū)域場景三維快速建模的方法進(jìn)行研究后可以發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)航測技術(shù)在區(qū)域場景三維建模中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。工作人員可以利用無人機(jī)靈活且效率高的優(yōu)勢，用三鏡頭或五鏡頭以及點(diǎn)云等數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)進(jìn)行場景區(qū)域數(shù)據(jù)收集，通過軟件生成三維模型。由于無人機(jī)航測所獲得的數(shù)據(jù)會受到地形高低差而產(chǎn)生一定的形變，因此需要進(jìn)一步完善和采用空中三角測量等技術(shù)，以確保區(qū)域場景的三維建模精度得到進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃文鋒，余振強(qiáng).基于無人機(jī)航測的區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)[J].河南科技，2017（17）：24-26.

[2]傅毓.基于無人機(jī)航測的區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2020（2）：33.

[3]趙子昂.基于Context Capture的小型物件傾斜攝影3D建模的研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020（6）：29-31.

[4]吳笛，倪晉平，陳丁，等.360°激光測距的可移動三維建模方法[J].測試技術(shù)學(xué)報，2019（1）：14-18.

[5]宋書芳.基于機(jī)載LIDAR技術(shù)的建筑物三維模型快速構(gòu)建方法探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（2）：146-147.

3478500338297