面向三維GIS的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理方法研究*

趙曉清

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013;2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

目前，越來(lái)越多的GIS系統(tǒng)對(duì)精確、逼真的三維數(shù)據(jù)提出了要求，各地市開(kāi)展的數(shù)字城市建設(shè)也開(kāi)始加入三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)源，用于進(jìn)行三維展示、三維分析、輔助規(guī)劃等，在需求的推動(dòng)下，三維數(shù)據(jù)的快速采集與處理開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量設(shè)備昂貴、空域申請(qǐng)困難、技術(shù)流程復(fù)雜，將多數(shù)測(cè)繪單位拒之門(mén)外，近幾年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，帶精密定位模塊的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品不斷推陳出新，價(jià)格邁入萬(wàn)元級(jí)門(mén)檻，由此攝影測(cè)量開(kāi)始真正進(jìn)入普及化時(shí)代。當(dāng)三維數(shù)據(jù)源變得易得易用后，三維礦山、三維社區(qū)、三維校園等三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)和使用開(kāi)始走向?qū)嵱肹1]，本文以國(guó)產(chǎn)SuperMap為平臺(tái)軟件，以無(wú)人機(jī)為數(shù)據(jù)采集工具，研究了影像數(shù)據(jù)獲取、三維模型建立與處理、多源數(shù)據(jù)融合等問(wèn)題，為三維GIS系統(tǒng)的建立提供了精確、美觀、實(shí)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)路線(xiàn)

依據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理，從初始拍攝照片到可量測(cè)的模型和產(chǎn)品，中間要經(jīng)過(guò)空三處理、點(diǎn)云生產(chǎn)、網(wǎng)格構(gòu)建、紋理提取、模型建立等環(huán)節(jié)[2]，針對(duì)不同的產(chǎn)品需求，國(guó)內(nèi)外各大軟件提供商有側(cè)重的推出了各自的解決方案，雖處理流程大致相似，但各自特色鮮明，在使用中需根據(jù)需求組合使用，本實(shí)驗(yàn)采用的多源數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

2 無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集通常有兩種方式：(1)垂直攝影；(2)傾斜攝影。垂直攝影一般應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)繪4D產(chǎn)品的生產(chǎn)，雖然在當(dāng)下的建模軟件支持下亦可生產(chǎn)三維模型，但由于相機(jī)拍攝角度問(wèn)題，被攝對(duì)象的側(cè)面紋理信息獲取不足，三維模型效果通常較差，且點(diǎn)狀地物如路燈、電桿等通常會(huì)缺失，需后期進(jìn)行立體量測(cè)或人工調(diào)繪后手工建模。傾斜攝影是近年研究熱點(diǎn)，通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載一個(gè)或多個(gè)傳感器，可以獲取地面的多視角影像，有效解決垂直攝影中的墻面遮擋壓蓋、建筑屋頂位移等問(wèn)題，同時(shí)，由于側(cè)視信息豐富，建模效果更加逼真、細(xì)膩，更加符合人眼視覺(jué)。本次實(shí)驗(yàn)采用了大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)，選取“井字”飛行，云臺(tái)角度-60°的方式進(jìn)行影像獲取，航高100 m，航向重疊與旁向重疊取默認(rèn)值80%和70%，地面分辨率2.74 cm，傾斜攝影建模精度8.5 cm。如對(duì)模型質(zhì)量要求較高，可采用“五向”飛行，獲取正射影像和云臺(tái)角度-45°的傾斜影像[3]。

3 實(shí)景模型建立與處理

3.1 軟件選取

行業(yè)市場(chǎng)上應(yīng)用較多的國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)傾斜影像處理軟件主要有美國(guó)的ContextCapture Center、瑞士的Pix4DMapper、俄羅斯的MetaShape、大疆智圖等，各個(gè)軟件各有優(yōu)缺點(diǎn)，且各階段成果可相互轉(zhuǎn)換使用[4]，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可依據(jù)需要綜合選取、交叉使用，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)共識(shí)，對(duì)各軟件整體對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果參考如表1所示。

表1 軟件整體對(duì)比表

3.2 實(shí)景建模

MetaShape軟件影像畸變校正、空三處理能力強(qiáng)，而模型構(gòu)建時(shí)，ContextCapture軟件使用了較為先進(jìn)的“泊松表面重建方法”，對(duì)影像數(shù)據(jù)生成的點(diǎn)云進(jìn)行表面重建的效果較好[5]，本次實(shí)驗(yàn)采用MetaShape進(jìn)行了空三處理，軟件評(píng)定位置中誤差為0.051 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)計(jì)算結(jié)果基本一致。將合格的空三成果導(dǎo)出為Block Exchange格式，在ContextCapture中導(dǎo)入該區(qū)塊，進(jìn)行邊界劃定、模型切塊、參數(shù)設(shè)置后，開(kāi)始進(jìn)行模型生產(chǎn)，軟件內(nèi)部處理流程如圖2所示，實(shí)際作業(yè)時(shí)完全為自動(dòng)生產(chǎn)，基本無(wú)需人工干預(yù)。ContextCapture默認(rèn)生產(chǎn)成果的格式為自定義3MX格式，而目前市面上生產(chǎn)的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)的組織方式一般是二進(jìn)制存貯的、帶有嵌入式鏈接紋理數(shù)據(jù)(.jpg)的OSGB格式，該格式自帶多級(jí)分辨率的LOD數(shù)據(jù)，LOD數(shù)據(jù)是在模型的生產(chǎn)過(guò)程中創(chuàng)建，根據(jù)密集點(diǎn)云逐級(jí)抽稀后構(gòu)建的三角網(wǎng)模型，在三維場(chǎng)景的瀏覽過(guò)程中，不同層級(jí)之間的過(guò)度平滑，無(wú)突跳感，且為多數(shù)GIS平臺(tái)、矢量數(shù)據(jù)采集平臺(tái)所支持，為此，模型生產(chǎn)完成并檢查無(wú)誤后，一般需轉(zhuǎn)換OSGB格式[6]。

圖2 ContextCapture三維模型生產(chǎn)流程圖

3.3 單體處理

軟件構(gòu)建的三維實(shí)景模型通常用“一張皮”來(lái)形容，與影像數(shù)據(jù)類(lèi)似，只能進(jìn)行瀏覽、簡(jiǎn)單量測(cè)，無(wú)法添加屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分析，因此要借助工具軟件對(duì)整個(gè)實(shí)景模型進(jìn)行單體化處理。目前，單體化技術(shù)主要有兩種：(1)切割單體化：用建筑物、道路、樹(shù)木等對(duì)應(yīng)的矢量面，對(duì)傾斜攝影模型進(jìn)行切割，即把連續(xù)的三角面片網(wǎng)從物理上分割開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)單體化[7]。(2)ID值單體化：利用模型的三角面片中每個(gè)頂點(diǎn)額外的存儲(chǔ)空間，把對(duì)應(yīng)的矢量面的ID值存儲(chǔ)起來(lái)，即一個(gè)建筑所對(duì)應(yīng)的三角面片的所有頂點(diǎn)，都存儲(chǔ)同一個(gè)ID值，從而實(shí)現(xiàn)在鼠標(biāo)選中該建筑時(shí)，可以呈現(xiàn)出高亮的效果[8]。目前，市面上的多款軟件都可用交互式方式進(jìn)行模型分割，如圖3所示，簡(jiǎn)單快捷。

圖3 模型單體化效果圖

3.4 模型精修

由于航攝區(qū)域存在水面、綠地等弱紋理區(qū)，或航攝盲區(qū)死角造成空洞區(qū)域，或地表高差起伏過(guò)大導(dǎo)致空三、建模精度較低，模型可能出現(xiàn)丟失、扭曲、映射錯(cuò)誤等問(wèn)題，如對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，需要對(duì)單體模型進(jìn)行修補(bǔ)優(yōu)化，使其更加規(guī)則美觀。模型處理軟件應(yīng)用較多的有3D Max、Dp Modeler、Wish 3D、VSModeler等，常用的數(shù)據(jù)格式一般為OBG格式，這種格式是為3D建模和動(dòng)畫(huà)軟件開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件格式，適合于3D軟件模型之間的互導(dǎo)，為多數(shù)模型處理軟件支持[9]，此次試驗(yàn)采用了3D Max軟件完成了建筑墻面修復(fù)、道路置平、刪除漂浮物、水面漏洞修復(fù)等功能，效果圖如4所示。

圖4 模型修復(fù)效果對(duì)比圖

4 多源數(shù)據(jù)融合

不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型在不同的應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)秀的GIS系統(tǒng)均提供不同的數(shù)據(jù)接口，可以融合不同的數(shù)據(jù)源。利用無(wú)人機(jī)不僅可以生產(chǎn)三維實(shí)景模型，也可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多種其它數(shù)據(jù)格式的再生產(chǎn)，為GIS系統(tǒng)強(qiáng)大功能的實(shí)現(xiàn)建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.1 影像數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

影像數(shù)據(jù)紋理豐富，直觀形象，是早期垂直攝影測(cè)量的主要產(chǎn)品，無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量可以使影像數(shù)據(jù)獲取更簡(jiǎn)潔、分辨率更高，如大疆精靈4RTK的航高100 m數(shù)據(jù)，可以生產(chǎn)2.74 cm分辨率的TDOM數(shù)據(jù)，完全滿(mǎn)足1：500大比例尺地形測(cè)圖的需要[10]。ContextCapture軟件中，在生產(chǎn)的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)再生產(chǎn)可以快速的得到TDOM、DEM的瓦片數(shù)據(jù)，利用ArcGIS工具箱中柵格數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行鑲嵌處理可以得到完整影像數(shù)據(jù)。如采用Pix4DMapper軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則一般先直接生成DOM和DEM數(shù)據(jù)，然后將二者進(jìn)行合成處理得到三維模型數(shù)據(jù)。軟件生成的影像數(shù)據(jù)中均帶有位置信息，無(wú)需進(jìn)行配準(zhǔn)、微分糾正等處理即可直接使用。

4.2 矢量數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

矢量數(shù)據(jù)易于管理和使用，數(shù)據(jù)量小。GIS系統(tǒng)中常用矢量數(shù)據(jù)格式有shape/dwg/kml等，如果已收集到項(xiàng)目區(qū)的CAD數(shù)據(jù)，如設(shè)計(jì)圖、竣工圖等資料，可以利用ArcGIS的轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行不同格式的轉(zhuǎn)換，如果項(xiàng)目區(qū)無(wú)現(xiàn)狀矢量資料，需要在實(shí)景模型數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行采集處理，傾斜攝影裸眼測(cè)圖軟件可采用EPS、iData、HiData、CASS3D、SV360等。為驗(yàn)證傾斜攝影測(cè)量生產(chǎn)的矢量數(shù)據(jù)精度，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)選取了10個(gè)特征點(diǎn)，在實(shí)景三維模型上利用CASS3D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與RTK實(shí)地采集的坐標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果如表2所示，該精度滿(mǎn)足1:500地形測(cè)圖規(guī)范。

表2 矢量數(shù)據(jù)生產(chǎn)精度對(duì)比表/m

4.3 屬性數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)庫(kù)建立

屬性數(shù)據(jù)是GIS數(shù)據(jù)管理與分析的基礎(chǔ)，主要是各地理實(shí)體對(duì)應(yīng)的非空間信息，根據(jù)系統(tǒng)的需求分析報(bào)告及功能設(shè)計(jì)，采取調(diào)查、統(tǒng)計(jì)等方法制作為數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)待用。各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，即可選取GIS平臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及后期系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)。此次實(shí)驗(yàn)以SuperMap為平臺(tái)，在iDesktop中新建數(shù)據(jù)源，通過(guò)導(dǎo)入功能可以將CAD、ArcGIS、OSGB、KML、表格數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等分別建立數(shù)據(jù)集，由于SuperMap 3D Designer三維地理設(shè)計(jì)引擎可針對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，從而可以實(shí)現(xiàn)多源三維空間數(shù)據(jù)的融合和不同數(shù)據(jù)的疊加，空間數(shù)據(jù)處理無(wú)誤后，將屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)建立完整數(shù)據(jù)庫(kù)[4]，多源數(shù)據(jù)融合效果如圖5所示。

圖 5 多源數(shù)據(jù)融合效果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文就無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在真三維GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用進(jìn)行了研究與實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多個(gè)工具軟件的組合使用，建立了從外業(yè)航飛相片到空中三角測(cè)量、密集點(diǎn)云建立、三維模型生產(chǎn)、影像數(shù)據(jù)生成、矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、多源數(shù)據(jù)融合的高效生產(chǎn)流程，位置信息精準(zhǔn)、紋理信息細(xì)膩，為高效實(shí)用的真三維GIS平臺(tái)提供了優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)處理完成后，在SuperMap iObject.net和編程工具的支持下，可構(gòu)建功能完善、面向行業(yè)應(yīng)用的真三維GIS管理系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中涉及到多個(gè)軟件平臺(tái)、多個(gè)數(shù)據(jù)格式，因此融合后數(shù)據(jù)難免存在色差、錯(cuò)縫等問(wèn)題，需進(jìn)一步研究解決。