基于搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置的傾斜攝影測量技術(shù)在實景三維建模中的應用

廣西壯族自治區(qū)地理信息測繪院 蔣小海

隨著實景三維中國建設的深入推進，基于傾斜攝影技術(shù)的實景三維場景也將越來越被廣泛的應用。本文針對傾斜攝影技術(shù)和實景三維建模，介紹一種利用無人機搭載搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置，及其在開展傾斜攝影影像獲取并完成實景三維場景生產(chǎn)的應用案例，并驗證了其在實景三維建模中的優(yōu)勢和可行性。

隨著實景三維中國建設的深入推進，基于傾斜攝影技術(shù)的實景三維模型場景也將越來越被廣泛的應用，如何基于傾斜攝影測量技術(shù)快速、靈活地獲取傾斜攝影影像并完成實景三維場景也逐步被行業(yè)內(nèi)所重視，然而專業(yè)的傾斜航攝系統(tǒng)如徠卡RCD30 傾斜相機、SWDC-4數(shù)字航空攝影儀，需要大型有人駕駛飛行平臺進行搭載，大型飛行平臺航飛空域申請較復雜，對飛行平臺起飛及降落場地要求有嚴格要求，且作業(yè)成本高，隨著技術(shù)的快速的發(fā)展，無人機技術(shù)愈發(fā)成熟，使用無人機搭載航空攝影設備拍攝地表地物的正攝影像和各個側(cè)面的傾斜影像，然后基于多角度影像進行三維建模，得到具有可量測性的實景三維模型，更具優(yōu)勢。本文介紹了一種搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置搭載于旋翼無人機平臺進行的航空傾斜航攝的技術(shù)方案，并在實際生產(chǎn)項目中驗證其在實景三維建模中的生產(chǎn)優(yōu)勢和可行性。

1 傾斜三維攝影測量技術(shù)原理

1.1 傾斜三維攝影測量技術(shù)原理說明

傾斜攝影測量技術(shù)是一種由飛行平臺搭載航空攝影攝影儀多角度傾斜攝影測量技術(shù)的新型航空攝影技術(shù)，傳統(tǒng)航空攝影只能獲取垂直視角地面物體場景，通過在同飛行平臺上搭載多個傾斜相機或搖擺式航攝裝置，多鏡頭同步對地面地物的投影正面和地物的豎立面等多視角拍攝，所獲得的航空影像航片具有高分辨率、多角度地面特性的特點，且地物側(cè)面有清晰的紋理，實現(xiàn)實景三維建模處理時真實場景構(gòu)建。

1.2 搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置簡述

搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置為我院自主研發(fā)的新型傾斜攝影航攝儀，其由3 臺索尼A7R 相機組成，可同時獲取5 個以上方向的航空影像，其中相機傾斜角度為40°，擺動角度為35°，裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 搖擺式航攝設備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of swing aerial camera equipment

該搖擺式航攝設備結(jié)構(gòu)均模塊化、工作穩(wěn)定、拍攝角度綜合優(yōu)化、拍攝速度可調(diào)控、安裝方便、操作簡單、抗電磁干擾能力強、兼容市面所有飛行平臺，克服了現(xiàn)有兩鏡頭搖擺航攝設備在獲取地表地物時，飛行航向左右側(cè)方影像數(shù)據(jù)獲取時有漏洞、正下方影像完全缺失，飛行航向前后地物側(cè)方影像數(shù)據(jù)采集不全等缺陷，靈活獲取地表地物傾斜影像全覆蓋無死角，可實現(xiàn)高精度的三維建模任務。

2 總體技術(shù)路線

利用無人機搭載搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置獲取傾斜攝影影像，經(jīng)過空三加密處理后，生成測區(qū)整體三維模型，在此基礎上，通過三維建模軟件對場景模型進行修飾完成三維模型生產(chǎn)，其中，搖擺式三鏡頭航攝儀獲取的多角度影像中，正射視角獲取的垂直影像提供模型頂部紋理信息，通過側(cè)面傾斜角度鏡頭獲取地面建筑物側(cè)面紋理信息。總體技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 總體技術(shù)工藝流程Fig.2 Overall technical process flow

3 應用案例

為驗證該技術(shù)方案在實景三維建模應用中的可行性，特別是在城市級三維建模上的優(yōu)勢，結(jié)合實際項目生產(chǎn)，在柳州市建成區(qū)范圍內(nèi)選取了約31km的區(qū)域開展測試驗證。

3.1 航飛設計

本項目初設計以下航飛計劃方案如表1 所示，作業(yè)時根據(jù)天氣、時間安排等實際情況進行航飛。

表1 無人機航飛設計方案Tab.1 UAV flight design scheme

3.2 航飛數(shù)據(jù)采集

使用無人機平臺搭載搖擺式三鏡頭傾斜攝影裝置對測區(qū)內(nèi)進行航空數(shù)據(jù)采集，獲取多角度影像原始數(shù)據(jù)、差分數(shù)據(jù)解算整理即得影像所對應的POS 數(shù)據(jù)、通過獲取的優(yōu)質(zhì)航空影像原片和高精度POS 數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)預處理

3.3.1 影像數(shù)據(jù)預處理

航攝攝影外業(yè)飛行航飛獲取的優(yōu)質(zhì)航空影像原片和高精度POS 數(shù)據(jù)成果，經(jīng)過航片數(shù)據(jù)核查、項目范圍、航攝儀參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)定位和IMU 姿態(tài)數(shù)據(jù)整理、空中三角測量計算合格的成果導入等數(shù)據(jù)進行前期處置，剔除有問題的原始成果，來保障各級數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量。

航空傾斜攝影測量，航片數(shù)據(jù)預處理主要對后期的模型生產(chǎn)效率及模型色彩有影響。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量模型，處理步驟如下：

（1）使用軟件對航空攝影所獲取的航片原片進行調(diào)整，去除原始航片中陰影、水面過曝、不同架次不同天氣飛行的航片數(shù)據(jù)進行調(diào)色，以保證模型色彩一致，提升模型美觀及精度。

（2）可以采用聯(lián)網(wǎng)模式加快數(shù)據(jù)處理，保障項目工期。

3.3.2 POS 數(shù)據(jù)預處理

POS 數(shù)據(jù)通過所配置差分所得數(shù)據(jù)通過地面架設的GPS 作為基準進行解算，基準精度根據(jù)當?shù)谻ORS 或者千尋信號精度，按照GPS 定位技術(shù)對每張航空影像進行精密計算絕對位置，通過軟件再將影像位置結(jié)果飛行控制的慣導（IMU)數(shù)據(jù)融合處理計算，根據(jù)項目所需的數(shù)學精度（投影和坐標系統(tǒng)）進行成果轉(zhuǎn)換，通過參數(shù)轉(zhuǎn)換解算出每張航空影像的各外方位元素。

3.4 空中三角測量

作業(yè)范圍內(nèi)原始影像數(shù)據(jù)較多，航片較多情況應進行分區(qū)域進行空三運行，結(jié)果合格后再進行分區(qū)合格空三成果整合，對數(shù)據(jù)兩大分區(qū)的空三運行范圍大小應根據(jù)航線及所布設的航控點進行劃分，所分區(qū)域應有足夠相互重疊的航片，對所分區(qū)域進行空三運算時先設置參數(shù)自動匹配，必要時進行人工干預計算，直至空三平差結(jié)果滿足項目設計要求，然后進行區(qū)塊的合并。

子區(qū)域網(wǎng)平差達到要求后，將所有子網(wǎng)空三成果進行區(qū)域網(wǎng)合并，處理得到測區(qū)的整體空三成果。

3.5 傾斜三維模型構(gòu)建

在獲取滿足質(zhì)量要求的航攝影像和控制點成果后，利用傾斜影像，控制點轉(zhuǎn)刺后進行空三加密；使用質(zhì)量合格的航測控制點成果與傾斜攝影所獲取的航片，進行實景三維模型生產(chǎn)與模型紋理貼片。

（1）根據(jù)三維模型瀏覽器的參數(shù)要求與作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H情況，確定模型的坐標系統(tǒng)和分塊大小，為了方便接邊工作，要求分塊大小為50m 的整數(shù)倍。在成果生產(chǎn)前需對空三成果進行檢查，利用滿足精度要求的空三成果及傾斜影像生成三維模型成果。

（2）對于存在大面積水面的作業(yè)區(qū)域，為減少在生成的三維模型中進行大量后期修改，可添加水面約束后更新三維模型。

3.6 三維模型紋理映射

實景三維建模模型紋理映射包括三維模型與紋理圖像的匹配和紋理貼片。無人機航空攝影傾斜測量平臺獲取的方式為多視角航空影像，影像上同一地面地物涉及多張航片，選取質(zhì)量清晰的航片數(shù)據(jù)是保障三維模型紋理貼合的保障，此項目采用建模三維模型的三角網(wǎng)與所獲影像之間的三角函數(shù)關(guān)系來進行匹配，角度越小證明改三角網(wǎng)的面與影像越匹配，模型紋理清晰度越高，采用這種方式，所對應的地面地物匹配到已構(gòu)建的三維模型中的三角網(wǎng)面上，通過軟件運算三維模型與每個三角網(wǎng)與所配對的影像的幾何關(guān)系，最終確定三維模型中三角網(wǎng)所需要配對的航空影像數(shù)據(jù)區(qū)域，從而使生產(chǎn)的三維模型與航片紋理貼合，實現(xiàn)模型紋理貼圖。

3.7 模型重建

（1）根據(jù)三維模型瀏覽器的要求及三維重建平臺本身的限制，確定模型的分塊大小和重疊度，根據(jù)建設方提供的測區(qū)大小確定生成三維成果的范圍；

（2）對于存在水面的區(qū)域需要在生成的三維模型中進行后期修改，并重新添加水面約束后更新三維模型；

（3）在成果輸出前，需要對空三結(jié)果進行檢查，確定其精度滿足要求。

3.8 模型修飾

三維實景建模重建生產(chǎn)出新的三維實景模型可能存在一些問題。例如不能在航飛時采集到的視場死角、建筑物側(cè)面的反光、河流、水庫大型的水面、運動中的物體等，則需要修改已建好的實景模型，做為三維實景重建的模型修整，更改所用軟件的自動生成模式。

模型修飾分兩個級別：

（1）幾何結(jié)構(gòu)。僅對參考三維模型的幾何結(jié)構(gòu)進行修改，修飾模型的紋理將被忽略。在再次進行三維重建時，保留修改后的幾何結(jié)構(gòu)，并重新進行貼紋理。

（2）紋理和幾何結(jié)構(gòu)。對參考三維模型的紋理和幾何結(jié)構(gòu)進行修改。在再次進行三維重建時，紋理和幾何結(jié)構(gòu)都會保留修飾原樣。

3.9 模型重建結(jié)果檢查

模型重建結(jié)果檢查指三維模型還未經(jīng)過后處理，通過軟件自動化完成的重建結(jié)果需要檢查的內(nèi)容。主要涉及元數(shù)據(jù)、坐標系、現(xiàn)勢性檢查及模型完整性等，此過程作為一個基本檢查，檢查合格后方可進入后處理環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)最終的詳細檢查應通過后文的兩級檢查完成。

3.10 三維成果輸出

使用基于計算機視覺和攝影測量的影像軟件，輸出的格式為通用格式（OSGB）模型成果，文件夾是為Tile 分級文件內(nèi)的Data 文件夾構(gòu)成，每一個Tile 文件夾里面是由不瓦片名稱的Data 文件名OSGB 模型組成。在建模軟件中通過建立索引文件將多個OSGB 格式瓦片數(shù)據(jù)拼接起來成為一個整體模型，以方便用多種軟件進行模型瀏覽。

在三維模型瀏覽工具中對成果三維模型進行多視角檢查，對項目范圍邊緣模型有明顯的變形、粘合、模型產(chǎn)生紋理漏洞和懸浮物等進行標記，將對應需要修改的瓦片數(shù)據(jù)在模型中進行編輯處理，進而得到紋理清晰的優(yōu)質(zhì)三維模型。

4 結(jié)語

隨著無人機傾斜攝影技術(shù)的不斷進步，傾斜攝影系統(tǒng)設備將向著模塊化、智能化、高精度的方向發(fā)展，傾斜航攝儀作為傾斜攝影系統(tǒng)設備的重要組成部分，將會是下一步研究的重要內(nèi)容。加大新型傾斜航攝儀裝備的研發(fā)，改善傾斜影像獲取的工藝流程，將能有效實現(xiàn)高精度、高分辨的實景三維建模任務，為“實景三維中國”建設提供有力技術(shù)參考，具有深遠而重大的意義。

引用

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