無人機(jī)遙感技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用★

張巧玲，蒙 利，趙燕伶，郝 航，郝旋捷，張 輝

(自然資源陜西省衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)中心,陜西 西安 710000)

現(xiàn)代科技的快速發(fā)展,無人機(jī)遙感技術(shù)也取得了很大的進(jìn)展,被廣泛應(yīng)用于測繪領(lǐng)域,顯著提升了測繪生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本研究以某市為研究區(qū),采用無人機(jī)攝影測量技術(shù),利用Context Capture軟件生成實(shí)景三維模型,為無人機(jī)攝影測量技術(shù)在數(shù)字化城鄉(xiāng)發(fā)展中的應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)和參考意義。

1 無人機(jī)傾斜影像三維建模關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量的三維建模關(guān)鍵技術(shù)包括影像匹配及特征提取、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、紋理映射等。

影像匹配及特征提取是利用影像間的特征關(guān)系來實(shí)現(xiàn)對不同的影像進(jìn)行整合。特征之間的聯(lián)系需從影像中抽取出具有相同名稱的特征元素,這些特征要素包含點(diǎn)特征、面特征與邊緣特征,即影像中灰度變化急劇的部分。為了保證后期的影像融合和目標(biāo)識別等工作,借助SIFT特征點(diǎn)檢測,該算法是應(yīng)用范圍較廣的特征點(diǎn)提取方法,是利用影像元素之間的相似度測量來實(shí)現(xiàn)圖像的匹配,具有較好的運(yùn)算速度與抗噪能力[1]。

多視影像聯(lián)合平差不同于傳統(tǒng)平差,需考慮平臺搭載的不同鏡頭之間的遮擋及聯(lián)系,利用影像的外方位元素進(jìn)行特征點(diǎn)匹配,基于多視圖幾何原理,再利用地面像控點(diǎn)、匹配連接點(diǎn)及航攝相機(jī)的GPS/IMU信息等進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差[2]。多視角影像密集匹配是生成數(shù)字表面模型和三維模型的重要依據(jù),是一種在多幅影像之間提取同名點(diǎn)的過程。多視影像具有豐富的角度和充足的影像信息,其覆蓋范圍大、分辨率高,可以利用冗余信息來校正錯(cuò)誤匹配,并根據(jù)攝影死角提供信息。密集匹配關(guān)鍵在于快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo),為了保證精度,采用多匹配基元[3]?；谔卣鞯挠跋衿ヅ溆休^強(qiáng)的適應(yīng)性和較高的匹配精度,是當(dāng)前傾斜攝影測量軟件中最常用的匹配技術(shù)。

紋理映射是增強(qiáng)模型視覺效果的關(guān)鍵技術(shù)[4],其實(shí)質(zhì)是建立二維紋理空間點(diǎn)與三維空間物體表面點(diǎn)的一一對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)所獲得的多角度地形的紋理信息來構(gòu)造一個(gè)與紋理信息相匹配的網(wǎng)絡(luò),并通過設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^濾條件和空間信息進(jìn)行匹配,確保三角網(wǎng)中的每個(gè)三角形與紋理空間信息庫中的紋理信息一一對應(yīng)[5]。

2 三維建模

2.1 數(shù)據(jù)獲取

1)無人機(jī)航測遙感。采用無人機(jī)航測遙感技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)之前要收集所研究區(qū)域的資料、實(shí)地觀測、航線設(shè)計(jì)、空域申請等工作[6]。本文采用DJI精靈4pro無人機(jī)進(jìn)行航空攝影數(shù)據(jù)的采集,該無人機(jī)功能強(qiáng)大、飛行的穩(wěn)定性強(qiáng),執(zhí)行任務(wù)時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速裝卸,能自動(dòng)、智能且快速地獲取空間地理信息要素,并且完成外業(yè)航飛的數(shù)據(jù)的處理[7-8]。此次飛行實(shí)際航攝相對高度為245 m、航向重疊為80%、旁向重疊為75%、影像總數(shù)為4 536張。

2)像控點(diǎn)布設(shè)。選擇圖像控制點(diǎn)時(shí),應(yīng)選擇光控點(diǎn)的目標(biāo)圖像清晰,易于判斷和立體測量,且盡可能為永久地物,并要求與周圍地物顏色反差大,特征明顯,如選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、明顯地物拐角點(diǎn)等位置,如道路交叉口、斑馬線交角等。像控點(diǎn)選擇點(diǎn)位應(yīng)落地選刺;選刺點(diǎn)位優(yōu)先選擇高程不變的地面。

2.2 模型建立

1)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。將無人機(jī)航空拍攝的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Context Capture軟件中,然后經(jīng)控制點(diǎn)刺點(diǎn)后進(jìn)行空中三角測量,如圖1,圖2所示。

2)空三加密。為了能夠?qū)o人機(jī)傾斜攝影獲取的單一無序的影像在空間中相互對齊統(tǒng)一,構(gòu)建與真實(shí)狀態(tài)下更加逼真的三維模型,需要進(jìn)行空三加密解算,設(shè)置好參數(shù)信息,結(jié)合影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)對像點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行加密,獲取同名特征點(diǎn)的坐標(biāo),這些同名點(diǎn)將作為區(qū)域網(wǎng)平差的條件,獲取每張影像的相機(jī)位置、姿態(tài)參數(shù)及密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？杖Ａ鞒倘鐖D3所示。

3)模型重建。利用空三加密后的密集點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型,生成具有三維信息的白膜模型;將影像數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和增強(qiáng)處理后,Context Capture會計(jì)算出TIN模型中的每一個(gè)三角面片與影像的對應(yīng)關(guān)系,將高分辨率的紋理映射給三維白膜模型,完成紋理貼圖進(jìn)而生成實(shí)景三維模型,完成三維重建。利用Context Capture進(jìn)行三維重建后的實(shí)景三維模型如圖4—圖6所示,模型整體效果較好。

3 常見的影響模型質(zhì)量的因素以及解決辦法

3.1 影像預(yù)處理

影像質(zhì)量包括影像的分辨率和清晰度,分辨率和清晰度足夠高時(shí),空中三角測量解算的成果的質(zhì)量會比較高,得到的成果精度越高。對于有畸變的像片,會影響所建模型的效果,模型可能會出現(xiàn)扭曲、缺失等問題。利用MapMatrix軟件進(jìn)行畸變矯正,首先利用數(shù)碼相機(jī)影像矯正;然后將需要矯正的影像添加進(jìn)去,填寫校正參數(shù)從而矯正。

3.2 像片選取

利用無人機(jī)傾斜影像三維建模不僅需要獲取建筑物正面輪廓,還需要獲取側(cè)面輪廓以及所處的地理位置的實(shí)際情況,所以采集的數(shù)據(jù)量比較大(存在數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象),為了減少建模所花費(fèi)的時(shí)間和盡量避免所建立的模型變形,應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

1)可以根據(jù)人工選片的方法對像片進(jìn)行篩選,剔除一些比較模糊或者有損壞的像片。2)首先編輯待研究區(qū)域獲取的POS數(shù)據(jù),保存并生成KML文件,然后將KML文件導(dǎo)入Google地球并編輯屬性,挑選像片時(shí),將航線與影像高度設(shè)置為“貼于地面”,然后根據(jù)所需區(qū)域周圍的影像選擇離它最近的影像,如圖7所示。

3.3 紋理缺失及遮擋的處理

下圖為研究區(qū)域的部分模型,從圖8可以看出模型的紋理缺失且有遮擋?？梢圆捎谩巴鈽I(yè)補(bǔ)拍照片”的方式進(jìn)行紋理修飾;處理后的影像如圖9所示。

3.4 模型結(jié)構(gòu)變形的處理

由于樹干、電線桿等橫截面積比較小,產(chǎn)生的特征點(diǎn)比較少,會出現(xiàn)模型有部分缺失的現(xiàn)象,樹干缺失和電線桿變形分別如圖10,圖11所示。

處理方法：將需要處理的部分模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入DPModeler中進(jìn)行模型的精細(xì)化,對于模型有變形或者缺失的地方,進(jìn)行模型的重建。在進(jìn)行紋理映射時(shí),如果模型的紋理模糊或缺失,利用PS處理,然后再導(dǎo)入DPModeler中紋理映射。處理后結(jié)果如圖12,圖13所示。

在空三加密時(shí),由于像片丟失或者POS數(shù)據(jù)的質(zhì)量問題而導(dǎo)致像片丟失,從而引起模型變形,建筑物變形如圖14所示。處理方法：在空三加密前,對像片進(jìn)行刺點(diǎn)的時(shí)候,應(yīng)將像控點(diǎn)刺于預(yù)先布設(shè)好的像控點(diǎn)中心,對于處于邊緣的控制點(diǎn)不進(jìn)行刺點(diǎn),且同一地物至少出現(xiàn)在三張像片上(滿足條件的點(diǎn)盡可能都刺上)。處理后結(jié)果如圖15所示。

4 模型精度評定

4.1 紋理精度評定

三維模型紋理精度的高低主要取決于獲取影像的質(zhì)量高低[9]。本文對于模型紋理精度評定主要是將所建立的模型和研究區(qū)實(shí)物進(jìn)行目視觀測對比,觀察模型的紋理、結(jié)構(gòu)等與實(shí)物是否存在色彩不一致、紋理模糊等問題。通過將模型與實(shí)物對比,模型紋理清晰,精度較高[10]。

4.2 位置精度評定

所建立的模型是否達(dá)到要求,可以與《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》來進(jìn)行對比,比如平面精度、高程精度等是否達(dá)到規(guī)范的要求[11]。

在研究區(qū)選取10個(gè)點(diǎn),平面精度統(tǒng)計(jì)見表1。其中X方向中誤差為±0.158 m,Y方向中誤差為±0.176 m,平面坐標(biāo)中誤差為±0.231 m,模型平面精度滿足精度要求。

表1 平面精度分析表 m

高度精度統(tǒng)計(jì)見表2,將外業(yè)中量測的實(shí)際高度和內(nèi)業(yè)中量取模型的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,分析模型的高度精度,中誤差為±0.328 m,最大誤差為0.2 m,模型的高度精度滿足精度要求。

表2 高度精度分析表 m

將外業(yè)測量獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)和建立的模型上的相對應(yīng)的控制點(diǎn)進(jìn)行對比,具體結(jié)果見表3,模型中誤差為0.103 m差值在合理范圍內(nèi)。

表3 模型精度評估表 m

5 結(jié)語

無人機(jī)遙感技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用是比較廣泛的。在測繪領(lǐng)域,無人機(jī)遙感技術(shù)作為一種高新技術(shù),其成本低、易操作、監(jiān)測范圍廣、安全性高,該技術(shù)的應(yīng)用可以確保測繪成果的準(zhǔn)確性和可靠性。無人機(jī)傾斜影像三維建模是目前比較廣泛的三維建模方式,提高了三維建模的效率。本文對無人機(jī)傾斜影像三維建模中常見的問題進(jìn)行分析,并提出了對應(yīng)的三維模型精細(xì)化處理方法,以期對無人機(jī)傾斜影像三維建模實(shí)踐有借鑒作用。