無人機(jī)傾斜攝影三維建模研究現(xiàn)狀

羅 鑫，張作淳，王志彪，吳彬暉，伍躍飛，李運(yùn)豐

（浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1.引言

傾斜攝影三維建模通過從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維城市模型。

傳統(tǒng)的三維建模大多是人工干涉建立建模，使用Maya、PhotoShop和3dMax等優(yōu)秀的建模軟件，用遙感影像地形圖和航空測(cè)量影像數(shù)據(jù)或地形圖和人工實(shí)地拍攝的照片和測(cè)量的長(zhǎng)寬高的數(shù)據(jù)建立模型。雖然這種建模方式做出的模型也能夠用作觀賞和地類規(guī)劃，但是制作出的模型精度卻達(dá)不到測(cè)量級(jí)要求，而且制作的模型紋理是后期加工合成的與建筑物實(shí)際的紋理存在很大差異使用戶不能直觀感受到實(shí)際物體的外觀。同時(shí)人工建模所以必須有大量人工處理且制作者要具備很高的建模操作經(jīng)驗(yàn)，制作過程也特別長(zhǎng)導(dǎo)致模型的時(shí)效性很差，使得一些用戶只能放棄對(duì)三維模型的需求。

隨著這些年無人機(jī)在市場(chǎng)上的保有量越來越高，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)也越發(fā)地成熟，這一技術(shù)有多視角，高效率，低人力，高質(zhì)量等特點(diǎn)，可以360°全方位同時(shí)觀測(cè)測(cè)量目標(biāo)，獲取目標(biāo)表的體型、坐標(biāo)、外部紋理、細(xì)部要素和色彩光影的變幻等。提高建模效率也是利用傾斜攝影三維建模技術(shù)能夠在建模市場(chǎng)站穩(wěn)腳步的重要手段。使用傳統(tǒng)的人工建模從整體到細(xì)節(jié)都是親力親為，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，使用傾斜攝影三維建模技術(shù)后原先動(dòng)輒一兩年的項(xiàng)目需要時(shí)間僅僅是原來的五分之一，而且電腦數(shù)量多集群建模完成的話會(huì)更快。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在生活、生產(chǎn)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都發(fā)揮出不錯(cuò)的效用，在城市建設(shè)，搶險(xiǎn)救災(zāi)，電力選線等方面卓有成效，它已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)建設(shè)地理空間規(guī)劃不可或缺的要素。

2.無人機(jī)傾斜攝影三維建模研究現(xiàn)狀

無人機(jī)是通過無線電傳輸信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的設(shè)備或通過實(shí)施使用機(jī)載電子計(jì)算機(jī)的編輯系統(tǒng)控制的無人駕駛飛行器。它可分為兩種類型，固定翼和多轉(zhuǎn)子。根據(jù)其種類和飛行特性[1]，航空攝影測(cè)量多用固定翼，傾斜攝影測(cè)量多用多旋翼。無人機(jī)最早服役于軍隊(duì)用來當(dāng)作打靶的移動(dòng)目標(biāo)，后來因?yàn)闊o人機(jī)的市場(chǎng)化使得普通人也能夠接觸到所以逐漸轉(zhuǎn)化為攝影愛好者的拍攝工具和民用遙感飛行。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

世界上最早開始研發(fā)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的國家是美國，1990就究出了傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用方法。這個(gè)方法后來傳到了世界的多個(gè)區(qū)域在城市建設(shè)和農(nóng)林業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

徠卡公司作為相機(jī)制造業(yè)的世界大公司，也是第一批設(shè)計(jì)生產(chǎn)出傾斜攝影相機(jī)平臺(tái)ADS40和ADS80是當(dāng)前傾斜攝影相機(jī)平臺(tái)的雛形。該平只有三個(gè)攝像機(jī)位，分別從前后兩個(gè)傾斜相機(jī)中間一個(gè)垂直相機(jī)進(jìn)行拍攝測(cè)量[2]，隨著ADS系列相機(jī)的問世，徠卡公司又對(duì)傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改造生產(chǎn)出了RCD30相機(jī)，這款相機(jī)相較于ADS系列增加了兩個(gè)左右機(jī)位能從五個(gè)角度拍攝，大大增加了取景效率和數(shù)據(jù)的全面性。隨著傾斜攝影相機(jī)在市場(chǎng)上的需求美國的其他幾家大公司也相繼推出了五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。如Pictometry相機(jī)、Midas相機(jī)和魚鷹傾斜相機(jī)、這些相機(jī)系統(tǒng)均采用五鏡頭滿足了市場(chǎng)對(duì)傾斜攝影相機(jī)的需求度，能夠采用多種相機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

在傾斜攝影相機(jī)高速發(fā)展的同時(shí)，自動(dòng)三維建模軟件也被各大軟件開發(fā)公司陸續(xù)研發(fā)出來。其中我國天下圖首次引進(jìn)美國的Pictometry攝影測(cè)量軟件和以色列的Idan等軟件能夠全自動(dòng)地處理圖片信息提取圖片要素得到圖片中的地理信息數(shù)據(jù)，建成的模型在測(cè)量和觀看方面都有足夠的潛能。在本次研究中使用的Smart3D軟件就是法國ASRIUM公司研發(fā)的軟件。這款軟件能夠用簡(jiǎn)單的照片分析出目標(biāo)的輪廓、大小、顏色、紋理和空間位置等信息通過軟件自動(dòng)處理這些數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算和精準(zhǔn)的定位功能可以建立一個(gè)完美的三維模型，且這個(gè)三維模型的格式大眾化，能夠在多個(gè)軟件程序上打開進(jìn)行加工處理，滿足客戶的要求。不僅這款軟件能夠自動(dòng)建模還有徠卡的LPS、瑞士公司的Pix4D和Skyline公司的PhotoMesh等三維建模等功能的傾斜影像后處理軟件。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的測(cè)繪行業(yè)早在建國后就開始了但是新型的傾斜攝影技術(shù)卻在2010年才開始發(fā)展，雖然起步較晚但是卻擋不住傾斜攝影測(cè)量在中國的發(fā)展腳步。

2010年4 月，我國首次引進(jìn)了美國PICTOMETRY公司的Pictometry的軟件，這次合作彌補(bǔ)了我國傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的空白。雖然有國外公司的傾斜攝影相機(jī)可以用但是技術(shù)牢牢掌握在外國人手里，這對(duì)中國發(fā)展傾斜攝影測(cè)量帶來了極大的阻力。

2010年10 月，在學(xué)術(shù)界的劉憲林團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，他們終于自主研發(fā)了中國第一臺(tái)傾斜相機(jī)SWDC-5。該相機(jī)的研制成功制止了國外的技術(shù)圍堵，在中國開設(shè)了獨(dú)立的傾斜相機(jī)研發(fā)渠道。隨后，其他公司也相繼開發(fā)了自己的TOPDC-5相機(jī)、AMC580傾斜攝影測(cè)量相機(jī)等。

由于傾斜攝影三維建模技術(shù)的發(fā)展，對(duì)模型的精度要求有了更高的要求，所以相關(guān)的處理技術(shù)和軟件的研究成為熱門。隨著國內(nèi)市場(chǎng)傾斜攝影相關(guān)業(yè)務(wù)的開拓，2013年8月，泰瑞數(shù)創(chuàng)科技有限公司與美國Skyline軟件公司聯(lián)合推出Skyline V.6.5系列產(chǎn)品，提出了傾斜攝影測(cè)量批量全自動(dòng)三維建模技術(shù)，在城市建設(shè)、交通管理、能源利用、國土資源等相關(guān)行業(yè)得到發(fā)展。

3.傾斜攝影三維建模主要內(nèi)容

3.1 外業(yè)像控選點(diǎn)測(cè)量

外業(yè)像控點(diǎn)的選擇直接關(guān)系到模型坐標(biāo)精度的大小，根據(jù)航空攝影測(cè)量中關(guān)于像控點(diǎn)的選擇和精度的要求和規(guī)范。選擇相控點(diǎn)時(shí)要選擇一旁有明確標(biāo)志性建筑物的、在相片中能夠清晰地看到選擇的標(biāo)志性物體，在沒有標(biāo)志性物體時(shí)應(yīng)自己用顏色區(qū)分明顯的油漆噴涂相控標(biāo)志物，且標(biāo)志圖像邊長(zhǎng)大小不小于30公分。

3.2 傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)三維模型的精度需求，選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備進(jìn)行攝影測(cè)量，在獲取影像時(shí)要注意天氣的變化和高度的要求。可以采用的攝影儀器有TOPDC-5、MIDAS、魚鷹傾斜相機(jī)等多角度拍攝相機(jī)。飛機(jī)可以選擇多旋翼和固定翼。

3.3 傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

傾斜攝影測(cè)量采集到數(shù)據(jù)后不能直接用于三維建模生產(chǎn)，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理的主要內(nèi)容包括照片的篩選、影像去畸變、照片文件夾整理、pso數(shù)據(jù)信息篩選、相控坐標(biāo)數(shù)據(jù)檢查和相機(jī)參數(shù)預(yù)查等。

3.4 內(nèi)業(yè)空三加密

對(duì)采集到的航測(cè)影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)算加密工作生產(chǎn)出模型的點(diǎn)云和結(jié)構(gòu)。

3.5 實(shí)景三維模型處理

將POS信息數(shù)據(jù)與傾斜影像整合成影像參數(shù)文件，將相機(jī)信息數(shù)據(jù)整理為相機(jī)參數(shù)文件；在實(shí)景三維模型處理軟件系統(tǒng)中建立工作流，匹配空三連接點(diǎn)，并在人工干預(yù)下修正達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，最后開始傾斜實(shí)景三維模型處理工作。

3.6 實(shí)景三維模型優(yōu)化

對(duì)建成的三維模型成果存在的問題進(jìn)行優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)變形校正、漂浮物刪除、水面破洞修補(bǔ)、紋理失真等問題。優(yōu)化的軟件有DP-modole、3dmax、Geomagic等軟件。

4.精度評(píng)定

利用建成的三維模型數(shù)據(jù)和真實(shí)的地理位置坐標(biāo)信息進(jìn)行比對(duì)。得出三維模型和真實(shí)地理位置的差距根據(jù)測(cè)量精度要求進(jìn)行評(píng)判，模型是否能用于測(cè)圖和生產(chǎn)要求。

圖1 像控點(diǎn)和影像獲取

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和三維模型生產(chǎn)

5.展望

現(xiàn)如今智慧城市和數(shù)字地球是測(cè)繪發(fā)展方向，從城市的建筑設(shè)計(jì)、公園景觀綠植的規(guī)劃、到旅游地點(diǎn)的預(yù)覽、三維地圖的發(fā)展，三維模型的使用對(duì)于人們來說越來越廣泛。傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)能在城市交通、環(huán)境整治、電力和無線通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃管理、棚戶改造和新農(nóng)村建設(shè)、城市垃圾污染分布情況等諸多領(lǐng)域都能起到較大的作用。在其他方面，如地震洪水災(zāi)害的災(zāi)后重建、反恐救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、文物保護(hù)等多種行業(yè)，也能起到很好的效果。