無人機(jī)傾斜攝影測量影像處理與三維建模分析

文/王文州

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展以及城市化的不斷推進(jìn)，如何優(yōu)化城鄉(xiāng)未來規(guī)劃、提供細(xì)致的參考內(nèi)容已成為從業(yè)者需要面對的重要挑戰(zhàn)。本文以無人機(jī)傾斜攝影測量影響技術(shù)的主要優(yōu)勢與特點(diǎn)作為切入，分別基于特征提取以及影響匹配兩方面對無人機(jī)傾斜攝影影像處理要點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)從空三測量、點(diǎn)云生成、數(shù)據(jù)優(yōu)化、修復(fù)模型以及數(shù)據(jù)儲存等角度對無人機(jī)傾斜攝影下的三維建模流程進(jìn)行了闡述，以期為相關(guān)從業(yè)者提供參考。

近年來，無人機(jī)技術(shù)以及攝影攝像技術(shù)得到了快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這一技術(shù)以無人機(jī)作為飛行平臺，以傾斜攝影相機(jī)作為主要任務(wù)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)航空影像獲取的目標(biāo)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識到無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在城市規(guī)劃、應(yīng)急測繪、國土資源管理、環(huán)境保護(hù)等相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用價(jià)值，并積極優(yōu)化其技術(shù)流程，使其能夠發(fā)揮出更加積極的作用。

無人機(jī)傾斜攝影測量影像技術(shù)的主要優(yōu)勢與特點(diǎn)

提供多元化的觀察視角

在傳統(tǒng)的航空攝影以及飛行測量過程當(dāng)中，受到技術(shù)因素以及成本因素的影響，大多選用垂直角度的拍攝方式，導(dǎo)致對地物以及拍攝對象的觀察角度較為單一，影響了最終的拍攝與測量效果。而以無人機(jī)作為拍攝飛行平臺，以傾斜相機(jī)作為圖像采集設(shè)備對地物目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，能夠從更加多元化的視角進(jìn)行信息的收集，使圖像能夠更加真實(shí)客觀地反映出地面觀測目標(biāo)的實(shí)際情況，使傳統(tǒng)的正射攝影測量技術(shù)的短板得到有效補(bǔ)充，提升了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

能夠?qū)螐堄跋襁M(jìn)行量測計(jì)算

在城市規(guī)劃、應(yīng)急測繪以及環(huán)境保護(hù)等相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中，對于影像成果當(dāng)中所涉及的參數(shù)提出了較高的要求，其中包括目標(biāo)點(diǎn)位的高度、長度、面積、角度、坡度以及堆積體體積等等，基于無人機(jī)傾斜攝影測量影像技術(shù)的應(yīng)用，能夠較為準(zhǔn)確地獲知目標(biāo)地物的上述信息，并針對單張影像當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行核算統(tǒng)計(jì)，相機(jī)之間能夠通過特定裝置實(shí)現(xiàn)時(shí)間與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步，加快影像數(shù)據(jù)處理進(jìn)度。

整體數(shù)據(jù)量較小

相較于以往三維GIS 等技術(shù)手段進(jìn)行的地物測量工作而言，無人機(jī)傾斜攝影測量影像技術(shù)應(yīng)用過程當(dāng)中所產(chǎn)生的整體數(shù)據(jù)量較為有限，便于技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過網(wǎng)絡(luò)渠道進(jìn)行傳播與發(fā)布，有效提升了測量數(shù)據(jù)的可讀性，使其能夠在更加廣泛的領(lǐng)域得到運(yùn)用。

作業(yè)較為便捷靈活

基于上文可知，依托無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)開展拍攝測繪作業(yè)，所需的設(shè)備器材主要包括飛行平臺無人機(jī)、圖像采集設(shè)備傾斜相機(jī)以及圖像處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等等，其系統(tǒng)架構(gòu)較為簡潔，技術(shù)要求較低，作業(yè)流程較為便捷靈活，攝影測量成本較為低廉，便于進(jìn)行技術(shù)普及與推廣。

無人機(jī)傾斜攝影影像處理要點(diǎn)

為確保無人機(jī)平臺下傾斜攝影影像處理效果，保障最終獲取到的數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確可靠，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)關(guān)注到以下幾方面技術(shù)要點(diǎn)。

特征提取

在影像處理工作的開展過程當(dāng)中，立足于圖像拍攝的實(shí)際情況對其技術(shù)特征進(jìn)行提取對強(qiáng)化影像處理效率具有至關(guān)重要的作用。常用的無人機(jī)傾斜攝影影像特征提取策略主要包括下列幾種。

首先是對光譜特征的提取，在針對地物目標(biāo)進(jìn)行的傾斜攝影以及測量工作的同時(shí)，目標(biāo)部位的光學(xué)特征往往也會通過一定途徑進(jìn)行表現(xiàn)。通常來說，不同類別、形態(tài)以及材質(zhì)的物體在光譜特征的表現(xiàn)層面也會展現(xiàn)出一定的差異，其亮度規(guī)律各有不同，因此技術(shù)人員能夠通過特定波段當(dāng)中圖像的亮度表現(xiàn)以及光譜特征表現(xiàn)對其進(jìn)行類別歸納與劃分，從而便于后續(xù)的辨識、測量與數(shù)據(jù)處理工作。

其次是對紋理特征的提取，在無人機(jī)搭載的傾斜相機(jī)當(dāng)中，地物目標(biāo)可能會以一定的規(guī)律表現(xiàn)出相應(yīng)的圖案，這一圖案受地物目標(biāo)形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及具體材質(zhì)的影響較為明顯，是圖像特征的另一項(xiàng)重要表現(xiàn)，因此在針對無人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行處理的同時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)將圖像的紋理特征作為重點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使圖像當(dāng)中的區(qū)域化特征、灰度布局以及環(huán)境特點(diǎn)等信息都能夠得到相應(yīng)展現(xiàn)。

最后是按照圖像測量目標(biāo)要求進(jìn)行的特征提取工作。在無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用過程當(dāng)中，由于其測量目標(biāo)以及攝影對象存在一定的差別，因此其特征表現(xiàn)情況以及特征提取同樣也各有不同，因此在特征提取的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及影像處理人員還應(yīng)當(dāng)明確不同形態(tài)與不同領(lǐng)域的圖像處理要求，進(jìn)而保障圖像特征提取的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

影像匹配

雖然無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在應(yīng)用便捷性、觀察視角多元性以及測量成本等方面具備廣泛的優(yōu)勢，但由于其整個(gè)測量系統(tǒng)架構(gòu)的影響，其作業(yè)過程當(dāng)中往往會受到外界環(huán)境的大幅沖擊與影響，最終獲取到的圖像信息以及測量數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生一定的偏差。因此，為進(jìn)一步改進(jìn)無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)所面臨的不足和風(fēng)險(xiǎn)，保障圖像信息的準(zhǔn)確細(xì)致和可靠，工作人員以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)還應(yīng)當(dāng)采取合理手段進(jìn)行影像匹配作業(yè)。

影像金字塔。無人機(jī)傾斜攝影成像過程當(dāng)中，會受到氣候、環(huán)境以及地形地貌等相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致最終獲取到的圖像出現(xiàn)失真現(xiàn)象，阻礙了測量工作的正常開展。因此，為了使圖像內(nèi)容得到更加可靠地呈現(xiàn)，使圖像當(dāng)中的信息得到針對性保留，提升圖像內(nèi)部的信息密度，技術(shù)人員可采用影像金字塔的方式對圖像進(jìn)行解釋。

通常來說，在同一空間以及成像條件下，測量工作對圖像的應(yīng)用方式以及應(yīng)用要求存在一定差異，因此技術(shù)團(tuán)隊(duì)可通過重采樣技術(shù)按照不同分辨率針對圖像像素進(jìn)行運(yùn)算和堆砌，使圖像能夠基于分辨率要求實(shí)現(xiàn)像素與地物特征之間的有效匹配，充分強(qiáng)化了圖像顯示以及圖像內(nèi)容的準(zhǔn)確性與有效性。

SIFT 算法

SIFT 算法又稱尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法，分別通過高斯金字塔的創(chuàng)建、極值點(diǎn)的定位、極值點(diǎn)方向分析以及關(guān)鍵點(diǎn)描述符的構(gòu)建，能夠使傾斜攝影過程當(dāng)中所獲取到的圖像信息得到更加直觀地呈現(xiàn)，有效提升了圖像當(dāng)中的信息密度，使成像過程當(dāng)中可能出現(xiàn)的信息重疊得到了更加有效地處理，提升了地物目標(biāo)全景圖的構(gòu)建效率。

BRISK 算法

BRISK 算法同樣也是一種基于二進(jìn)制的特征描述以及特征提取算法，具備較好的旋轉(zhuǎn)不變性以及尺度不變性，對于外部環(huán)境的適應(yīng)能力及其自身穩(wěn)定性較為良好，同時(shí)在無人機(jī)圖像處理的過程當(dāng)中具有較為積極的性能，能夠出色地針對模糊圖像信息做出針對性處理。

因此，為了針對性減輕攝影系統(tǒng)成像過程當(dāng)中外部環(huán)境對圖像清晰度造成的影響，使圖像內(nèi)部的信息與數(shù)據(jù)得到更加充分地保留，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及圖像處理團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)針對影像匹配作業(yè)的基本流程及其圖像處理方法進(jìn)行選定，促進(jìn)無人機(jī)傾斜攝影測量工作精度的不斷進(jìn)步。

基于無人機(jī)傾斜攝影的三維建模流程

近年來，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)逐步成熟，傳統(tǒng)的正射成像方式得到了充分迭代與發(fā)展，圖像內(nèi)部所呈現(xiàn)出的信息數(shù)據(jù)內(nèi)容更加豐富多元，因此無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)所回傳的圖像內(nèi)容已逐漸成為地物目標(biāo)點(diǎn)三維模型構(gòu)建的重要參考依據(jù)。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及工作人員應(yīng)當(dāng)明確無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下的三維建模流程，推動模型精度的不斷進(jìn)步。

空中三角測量

在針對地物目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行三維建模之前，需要基于圖像處理算法以及相關(guān)技術(shù)手段針對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)回傳圖像當(dāng)中涉及到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，而相較于傳統(tǒng)的正射拍攝測量技術(shù)而言，無人機(jī)平臺當(dāng)中的傾斜攝影測量技術(shù)往往需要通過不同視角對地物目標(biāo)點(diǎn)的特征進(jìn)行觀察和提取，因此需要針對其量測方法進(jìn)行及時(shí)迭代與更新，使技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠更加全面地掌握圖像目標(biāo)點(diǎn)位的空間布局情況，為后續(xù)建模工作的開展提供更加積極的支持。

在進(jìn)行空中三角測量的同時(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要基于無人機(jī)拍攝成像測量項(xiàng)目開展前給出的方位點(diǎn)以及SIFT 算法或BRISK 算法處理過后的影像匹配信息進(jìn)行空三計(jì)算，常見的計(jì)算方法包括自由網(wǎng)平差法、控制網(wǎng)平差法、聯(lián)合平差法等幾種不同類別，其中，空三連接點(diǎn)的設(shè)定對保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確客觀具有重要意義。技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)基于影像比例尺確定標(biāo)志點(diǎn)的直徑與大小，使其能夠與傾斜攝影成像后得到的影像分辨率以及信息密度相一致，考慮到無人機(jī)傾斜攝影成像特點(diǎn)以及三維建模工作的開展要求，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行圖像信息計(jì)算處理的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮到標(biāo)志點(diǎn)位在圖像表面的可分辨性，使其與圖像周邊環(huán)境形成顯著的色差，例如，對于黑白片進(jìn)行標(biāo)注的過程中，標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)位應(yīng)選用白色，對于紅外軟片進(jìn)行標(biāo)注的過程中，標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)位應(yīng)選為紅色。另外，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還應(yīng)當(dāng)在標(biāo)記點(diǎn)周邊加設(shè)輔助標(biāo)識，使其識別度得到更加全面地提升。

密集點(diǎn)云生成

通過無人機(jī)平臺搭載的傾斜相機(jī)以及相關(guān)聯(lián)的圖像采集設(shè)備，能夠針對地物目標(biāo)點(diǎn)周邊的自然環(huán)境狀態(tài)以及地貌地勢特征象關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位獲取與整合，這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)所識別和處理，通過對上述數(shù)據(jù)信息的處理和應(yīng)用，能夠基于地物目標(biāo)點(diǎn)狀況生成表面模型DSM，使其能夠成為三維模型建構(gòu)的重要參考與支持。

然而從無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用情況以及成像測量技術(shù)的應(yīng)用狀況進(jìn)行分析能夠得出結(jié)論，受到成像條件、環(huán)境因素以及作業(yè)流程等客觀因素的影響，導(dǎo)致一些目標(biāo)點(diǎn)位的成像準(zhǔn)確度以及影像數(shù)據(jù)內(nèi)容的全面性可能會受到影響，因此技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)采取合理手段與措施針對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與修正，使數(shù)據(jù)信息當(dāng)中存在的誤差得到針對性控制，為后續(xù)三維建模工作的開展奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正方式主要包括以下兩類。

首先是點(diǎn)云拼接處理，在基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)所獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建的同時(shí)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可在地物目標(biāo)點(diǎn)周邊放置點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)標(biāo)靶，使其能夠成為圖像成像參照物，在點(diǎn)云拼接處理的同時(shí)，確保標(biāo)靶數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)結(jié)果之間的一致性，從而完成數(shù)據(jù)信息的拼接，使其能夠?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理以及三維模型的構(gòu)建提供良好支持。

此外是數(shù)據(jù)的去噪優(yōu)化。受到環(huán)境因素、成像條件以及設(shè)備分辨率等因素的影響，可能會導(dǎo)致圖像內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的噪點(diǎn)現(xiàn)象，圖像所反饋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法成為地物目標(biāo)點(diǎn)信息的準(zhǔn)確表述，給最終的模型建構(gòu)造成一定影響。因此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行去噪優(yōu)化處理的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)基于數(shù)據(jù)噪點(diǎn)實(shí)際情況，分別按照線性平滑濾波、平均濾波以及非線性平滑濾波等三種類別進(jìn)行針對性處理，使數(shù)據(jù)邊緣信息得到有效保護(hù)，消除噪點(diǎn)對數(shù)據(jù)精度以及圖像建模準(zhǔn)確性造成的影響。

數(shù)據(jù)二次優(yōu)化處理

受到傾斜攝影測量技術(shù)特征與成像過程等因素的影響，導(dǎo)致其相關(guān)數(shù)據(jù)信息往往采用了分布式的存儲模式，給數(shù)據(jù)信息的調(diào)用和處理帶來了一定的難度。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)二次優(yōu)化處理之前，技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)首先做好數(shù)據(jù)情況的確認(rèn)工作，針對圖像的加載情況以及合并情況進(jìn)行辨識與分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傾斜圖像數(shù)據(jù)信息過于破碎時(shí)，可采用SuperMap 等應(yīng)用進(jìn)行傾斜入庫處理，使相近目標(biāo)點(diǎn)位的圖像數(shù)據(jù)得到有效合并，使圖像的調(diào)用和查閱更加便捷，有效消除了以往圖像處理過程以及圖像加載過程所面對的性能問題。

在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提升圖像數(shù)據(jù)應(yīng)用性能，使其能夠在三維模型構(gòu)建過程當(dāng)中得到更加積極地利用，技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及工作人員應(yīng)當(dāng)基于深度學(xué)習(xí)算法以及自動糾錯(cuò)技術(shù)將圖像數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比對，使數(shù)據(jù)得到充分交互與分析，在三維模型搭建之前做好數(shù)據(jù)對齊以及數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作，強(qiáng)化數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性與完整性。

快速修復(fù)模型搭建

在三維模型的構(gòu)建過程當(dāng)中，由于數(shù)據(jù)缺陷的影響，導(dǎo)致模型可能存在一定的漏洞與問題，對城市規(guī)劃以及環(huán)境保護(hù)等后續(xù)工作的開展形成了嚴(yán)重的沖擊和影響。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)針對快速修復(fù)模型進(jìn)行搭建，基于其模型優(yōu)勢和特點(diǎn)對數(shù)據(jù)存在的缺陷以及模型漏洞進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，從而滿足模型建設(shè)的方向要求。

現(xiàn)有的模型修復(fù)平臺主要包括Meshmixer、CC（Smart3D）、Wish3D·Earth 等等，基于上述平臺，能夠依托無人機(jī)傾斜攝影獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速加載和利用，實(shí)現(xiàn)地物目標(biāo)的實(shí)景展現(xiàn)，同時(shí)還能夠按照項(xiàng)目實(shí)際需要對日照、水面、影子等特殊影像進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn)與分析，使技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及決策人員能夠獲取到更加細(xì)致全面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，有效提升模型性能，為保障三維建模數(shù)據(jù)信息的全面性與有效性提供相應(yīng)支持。

數(shù)據(jù)存儲與管理

模型建立后，如何針對點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及模型信息進(jìn)行存儲和管理對提升其應(yīng)用成效，拓展其應(yīng)用范圍同樣具有關(guān)鍵性意義。在數(shù)據(jù)存儲過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾方面原則與要求。

首先是可靠性原則，基于無人機(jī)飛行平臺的傾斜攝影測量技術(shù)所獲取到的數(shù)據(jù)在城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)以及國土資源開發(fā)等方面均具備較為廣泛的應(yīng)用價(jià)值以及應(yīng)用前景，因此測量過程當(dāng)中所獲取到的數(shù)據(jù)也具有充分的利用價(jià)值，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在存儲過程當(dāng)中，應(yīng)盡可能采取措施保障數(shù)據(jù)管理平臺的穩(wěn)定可靠，使數(shù)據(jù)的調(diào)閱、應(yīng)用更加便捷，避免數(shù)據(jù)的丟失與損毀。

其次是較強(qiáng)的可共享性原則，無人機(jī)傾斜攝影測量過程當(dāng)中所獲取到的數(shù)據(jù)信息對拓展數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值，保障城鄉(xiāng)規(guī)劃水平具有關(guān)鍵性作用。因此技術(shù)團(tuán)隊(duì)在針對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行存儲與管理的同時(shí)，應(yīng)保障其平臺具備穩(wěn)定的傳輸功能，使用戶能夠立足于實(shí)際情況以及項(xiàng)目需求實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的共享傳輸，保障數(shù)據(jù)應(yīng)用效率。

最后是格式標(biāo)準(zhǔn)化原則，在針對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行利用的過程當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)建立起完善統(tǒng)一的格式規(guī)范，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)化，從而便于對地物目標(biāo)數(shù)據(jù)信息的調(diào)閱與管理，提升數(shù)據(jù)信息管理水平以及管理質(zhì)量。

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在未來城鄉(xiāng)規(guī)劃以及社會發(fā)展進(jìn)程當(dāng)中具有重要價(jià)值和意義。相關(guān)從業(yè)者以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)明確傾斜攝影測量工作的流程特點(diǎn)以及技術(shù)要求，同時(shí)構(gòu)建起完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提升模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，推動測繪建模領(lǐng)域的不斷進(jìn)步與發(fā)展。