無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的影像處理技術(shù)與應(yīng)用三維建模系統(tǒng)的研究

蘇紫乾 周麗晨

內(nèi)蒙古有色地質(zhì)礦業(yè)（集團(tuán)）七隊(duì)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400

三維模型數(shù)據(jù)的構(gòu)建技術(shù)是城市“數(shù)字城市”信息系統(tǒng)建設(shè)中的信息基礎(chǔ)，是描述復(fù)雜三維城市信息關(guān)系的重要空間載體，是建立三維空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的一門重要信息技術(shù)手段。三維數(shù)據(jù)模型的信息捕獲能力和三維模型軟件的研究開發(fā)設(shè)計(jì)方式也直接和參考決定了中國城市空間數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)今后的持續(xù)發(fā)展。傾斜攝影三維測(cè)量新技術(shù)是一種在建筑攝影與測(cè)量新領(lǐng)域上開發(fā)成功的一項(xiàng)新技術(shù)產(chǎn)品，在某一個(gè)垂直平面建筑上同時(shí)配備了多個(gè)三維傳感器，采集出完整清晰的三維空間建筑信息，可以清晰全面的展示建筑物空間信息數(shù)據(jù)和二維建筑紋理信息，快速準(zhǔn)確創(chuàng)建完整真實(shí)立體的三維模型。模型中攝影測(cè)量的發(fā)展提供了新的見解[1]。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采用無人機(jī)作為圖像傳感器支撐平臺(tái)，具有方便、靈活、快捷等優(yōu)點(diǎn)，是理想的參考平臺(tái)。無人機(jī)結(jié)合自身二維和三維矢量面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)傾斜單片照片模型技術(shù)，通過疊加二維矢量面數(shù)據(jù)和三維三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維模型搭建場(chǎng)景。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

近年來，隨著我國無人機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影及測(cè)量等技術(shù)方面的應(yīng)用不斷地發(fā)展，無人機(jī)對(duì)角線及攝影和測(cè)量相關(guān)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。兩者的結(jié)合，不僅擴(kuò)展了遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，也解決了這一問題。正交角是從垂直、四個(gè)對(duì)角線和五個(gè)維度生成圖像的能力，從而提高有關(guān)圖像的最終物理信息的分辨率。此外，無人機(jī)對(duì)角線三維立體攝影系統(tǒng)等輔助測(cè)量三維建模新技術(shù)實(shí)現(xiàn)后所創(chuàng)建顯示出來的建筑地面三維模型數(shù)據(jù)將可以進(jìn)一步幫助業(yè)主更好地去配合專業(yè)輔助施工建設(shè)的人員配合去協(xié)助進(jìn)行地面建筑項(xiàng)目后續(xù)工程設(shè)計(jì)前的地面勘測(cè)與規(guī)劃施工管理設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)后期的施工管理測(cè)量建模工作，結(jié)合GNSS技術(shù)的應(yīng)用和其他先進(jìn)地面工程三維輔助施工測(cè)量與建模等技術(shù)，可以進(jìn)一步更好和充分及時(shí)的創(chuàng)建顯示出建筑地面物體特征的地面三維信息，實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確與快速可靠的就是三維建模工作[2]。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影成像系統(tǒng)的快速三維建模方法

2.1 原始數(shù)據(jù)的處理

數(shù)據(jù)的預(yù)處理數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)3D建模能夠正常、順利進(jìn)行實(shí)施過程的基本前提，主要對(duì)象包括三維多軸視圖圖像、POS數(shù)據(jù)等，這些后處理數(shù)據(jù)后的三維結(jié)果通常需要進(jìn)行處理運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[3]。處理應(yīng)確保標(biāo)頭重疊大于80%，水平重疊大于50%。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)收集和分析管理等過程中，需要用戶根據(jù)使用不同的攝像機(jī)鏡頭的拍攝視角分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理和分類存儲(chǔ)，以大大方便客戶后續(xù)工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集檢索。此外，數(shù)據(jù)處理時(shí)和數(shù)據(jù)記錄采集過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)失真，應(yīng)適時(shí)添加POS數(shù)據(jù)和通過外部的控制點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制。

2.2 傳統(tǒng)影像的航海三角形

采用相同精度的圖像點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量算法可對(duì)數(shù)據(jù)定向進(jìn)行優(yōu)化處理，但如對(duì)于無人機(jī)進(jìn)行傾斜角度攝影定向測(cè)量，由于需要獲得定向的圖像數(shù)據(jù)角度不僅可以是正視角，而且只能是傾斜角度圖像數(shù)據(jù)的角度，傳統(tǒng)算法將無法完美滿足其實(shí)際的需要，利用POS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)時(shí)間值信息作為進(jìn)行多維視圖圖像數(shù)據(jù)定向分析的最初始計(jì)算要素，在此的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上可計(jì)算得出每個(gè)像素的三維坐標(biāo)信息，同時(shí)可以根據(jù)多個(gè)連接的圖像點(diǎn)之間的點(diǎn)數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的控制點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)正常的進(jìn)行局域網(wǎng)的處理。生成三個(gè)控制報(bào)告，最終構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)規(guī)劃和三維圖像建模的基礎(chǔ)。

2.3 創(chuàng)建密集點(diǎn)云

所謂的密集點(diǎn)云，其實(shí)也就是通過跨多個(gè)視點(diǎn)來進(jìn)行圖像的匹配與處理，然后在用一套合適的算法去建立一個(gè)DSM曲面模型，方便了后續(xù)圖像模型的快速創(chuàng)建。在最終獲得一個(gè)DSM數(shù)據(jù)模型后，還往往需要算法對(duì)這個(gè)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，即最后通過算法組合各種不同類型的圖像匹配處理單元，得到了最終的DSM。在后期實(shí)際建模操作時(shí)和后期處理的過程中，會(huì)出現(xiàn)有一些圖像數(shù)據(jù)信息被嚴(yán)重遮擋或被丟失了的一些情況，這無疑將是嚴(yán)重地影響著后續(xù)的后期3D建模，需要經(jīng)過手動(dòng)進(jìn)行編輯校正處理和驗(yàn)證處理，以進(jìn)一步減少后期出現(xiàn)一些問題的可能性[4]。從現(xiàn)有的致密點(diǎn)云發(fā)展不規(guī)則三角測(cè)量。重疊點(diǎn)云信息的值決定了三角測(cè)量的復(fù)雜性。重疊越大，三角測(cè)量越復(fù)雜和密集。物體和地貌越復(fù)雜，三角測(cè)量就越復(fù)雜。

2.4 TIN模型的構(gòu)建

在開發(fā)TIN模型之前，需要仔細(xì)考慮怎么對(duì)高密度的點(diǎn)圖和云數(shù)據(jù)信息進(jìn)行參考圖像進(jìn)行分割，以盡可能達(dá)到或提高模型重新定義時(shí)獲得的參考圖像準(zhǔn)確性。建立好了以下幾個(gè)模型：首先，參考圖像信息匹配的策略通常并不是那么容易固定，利用對(duì)同一物體圖像和對(duì)不同物體觀察的角度所獲取來的參考圖像信息來實(shí)現(xiàn)按像素大小來進(jìn)行的圖像選擇;其次，基于多視角圖像在匹配信息過程中數(shù)據(jù)的高度冗余，避免數(shù)據(jù)遮擋圖像而直接影響數(shù)據(jù)匹配，引入并行算法將可極大提高云計(jì)算中的數(shù)據(jù)處理性能，快速匹配并更準(zhǔn)確地云計(jì)算所獲取到的多視角圖像數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的是同一點(diǎn)名的三維坐標(biāo)，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)所得到的高密度目標(biāo)密度數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的是三維點(diǎn)云計(jì)算；第三，基于點(diǎn)云，構(gòu)建一個(gè)具有各種不同網(wǎng)格細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)模型的TIN網(wǎng)格模型，通過優(yōu)化三角網(wǎng)格的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)其與圖像上的原始分辨率及其相對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積的比例系數(shù)來自動(dòng)調(diào)整圖區(qū)內(nèi)的三角形網(wǎng)格間的空間大小，簡化成了一種相對(duì)適應(yīng)于平坦區(qū)域分布的三角網(wǎng)格，通過動(dòng)態(tài)分析三角網(wǎng)格間連續(xù)面積的空間變化等情況變化來達(dá)到逐步地減少網(wǎng)格數(shù)據(jù)上的表面空間冗余，得到一個(gè)基于TIN網(wǎng)格模型的矢量結(jié)構(gòu)。

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量及圖像處理軟件在城市三維建模工程中的具體應(yīng)用

城市景觀模型是由一個(gè)建筑師根據(jù)在城市景觀設(shè)計(jì)中采用的比較精確的城市三維模型的地理坐標(biāo)圖和三維城市三維實(shí)際的地形紋理數(shù)據(jù)來進(jìn)行構(gòu)建設(shè)計(jì)出來的一種城市真實(shí)感模型，它反過來又會(huì)與二維城市的三維實(shí)際的城市實(shí)際的地形紋理模型相結(jié)合而共同構(gòu)成出了這樣一個(gè)城市景觀模型的城市三維模型76'[5]。帶有影像紋理效果的三維立體規(guī)劃城市模型設(shè)計(jì)使景觀設(shè)計(jì)界人們能基本上擺脫掉了傳統(tǒng)的二維平面地圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的種種束縛，使中國廣大三維規(guī)劃城市系統(tǒng)設(shè)計(jì)與咨詢服務(wù)人員、決策者、市民、用戶也能對(duì)整個(gè)三維立體城市景觀體系建設(shè)過程的一個(gè)整體現(xiàn)狀和一個(gè)模型設(shè)計(jì)最終得到出來的一個(gè)整體結(jié)果也會(huì)抱有這樣的一個(gè)十分真實(shí)清楚的直觀而完整的一個(gè)整體印象。城市三維模型與互聯(lián)網(wǎng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的無縫結(jié)合可以使城市人們都能夠在身臨共境真切地體驗(yàn)感受一個(gè)虛擬世界的逼真生活場(chǎng)景，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)對(duì)城市規(guī)劃及設(shè)計(jì)活動(dòng)的實(shí)施成果等做一些跟蹤評(píng)估，讓最普通老百姓的市民就能夠隨時(shí)參與投入到整個(gè)城市環(huán)境的整體規(guī)劃管理和實(shí)施設(shè)計(jì)實(shí)踐中里面來。同時(shí)該系統(tǒng)中還可以自動(dòng)提供歷史數(shù)據(jù)查詢、分析報(bào)告等應(yīng)用功能。

3.1 三維建模的建模方法

在無人機(jī)傾斜攝影和測(cè)量等技術(shù)尚未廣泛深入實(shí)施使用之前，城市三維建模技術(shù)主要可細(xì)分為以下十幾類。

3.1.1 基于CAD的建模技術(shù)

基于現(xiàn)代建筑CAD技術(shù)發(fā)展的三維建模技術(shù)目前主要是以二維3Ds和三維Max為其優(yōu)秀代表，它的尤其體現(xiàn)在用于三維構(gòu)建城市驚喜模型方而顯得其具有了其具有較大且獨(dú)特的三維性能優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際使用的該二維繪圖軟件過程中，以更大范圍的小比例尺地形圖資料數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來逐步進(jìn)行三維模型的設(shè)計(jì)及構(gòu)建，模型設(shè)計(jì)師在實(shí)際制作模型后期需要的貼上紋理圖片時(shí)還可以考慮把后期用相機(jī)軟件對(duì)模型拍照出來后的紋理照片重新進(jìn)行糾正與處理后，對(duì)該三維模型進(jìn)行重新修改進(jìn)行重新貼上紋理[6]。

基于城市三維CAD軟件提供的三維城市的建模及設(shè)計(jì)仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直接構(gòu)建用于模型設(shè)計(jì)而構(gòu)建出的城市建筑三維模型和城市景觀三維模型。利用有了利用該新技術(shù)后所建立起來的城市三維模型同時(shí)也都可以直接被高度還原的方式還原于所建立出來模型的實(shí)際建模的對(duì)象城市本身。盡管其技術(shù)成本普遍較高而且效率偏低，但由于它使用在人們對(duì)城市的三維逃行以及三維建模與仿真設(shè)計(jì)的研究過程中前期，仍然將可能將是在城市領(lǐng)域構(gòu)建復(fù)雜城市三維建模模型時(shí)運(yùn)用的目前最具主要價(jià)值技術(shù)手段。

3.1.2 激光掃描建模技術(shù)

激光三維掃描中的二維建模的技術(shù)一般有這兩種:機(jī)載激光二維掃描三維技術(shù)和機(jī)載地面激光一維掃描三維建模技術(shù)。機(jī)載激光掃描技術(shù)也可以專門用于快速有效的直接獲取二維數(shù)字地物而地表模型數(shù)據(jù)(DTM)、數(shù)字表面模型信息(DSM)等等?；趻呙璜@取得到的所有這些二維數(shù)據(jù)，再加上高精度數(shù)碼相機(jī)拍攝采集下來的二維照片，可以自動(dòng)為其所想要構(gòu)建起來的數(shù)字地物三維模型進(jìn)行拼貼紋理。

3.1.3 基于攝影測(cè)量的城市三維建模技術(shù)

該系統(tǒng)應(yīng)用在技術(shù)發(fā)展中的主要應(yīng)用包括的有如下技術(shù)兩類:數(shù)字航空實(shí)景攝影的三維實(shí)時(shí)測(cè)量及建模技術(shù)系統(tǒng)，數(shù)字近景航空攝影三維測(cè)量模型的實(shí)時(shí)三維建模技術(shù)。數(shù)字航空景觀攝影實(shí)時(shí)三維實(shí)時(shí)測(cè)量及其模型系統(tǒng)技術(shù)是指一種可以通過直接對(duì)一個(gè)已成功構(gòu)建出來三維的模型對(duì)象通過重新計(jì)算建立出二維的立體像量比對(duì)模型系統(tǒng)技術(shù)來設(shè)計(jì)以確保實(shí)現(xiàn)對(duì)于其三維景觀影像對(duì)象的實(shí)時(shí)景觀三維圖像重現(xiàn)。該立體模型技術(shù)所突出的三個(gè)主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是之一即為其應(yīng)用可以能夠很快速且高效的同時(shí)完成和構(gòu)建所量測(cè)的區(qū)域范圍的幾乎包含所有的大型復(fù)雜建筑物模型的三維立體和三維模型以及各種地形地貌三維景觀。數(shù)字近景遙感三維攝影數(shù)據(jù)處理和遙感測(cè)量遙感三維建模技術(shù)一般來說是指計(jì)算機(jī)通過對(duì)三維算法和系統(tǒng)模型的實(shí)時(shí)算法與設(shè)計(jì)，輔以對(duì)遙感地物三維圖像模型的高分辨率實(shí)時(shí)遙感攝影圖像與衛(wèi)星影像資料采集來逐步實(shí)現(xiàn)與完成計(jì)算機(jī)對(duì)遙感地物立體空間特征的高精度實(shí)時(shí)三維建模。雖然我們單純只從一個(gè)三維算法模型的直接建模計(jì)算角度出發(fā)分析問題來說，所能要求的構(gòu)建而成完整的三維模型都應(yīng)該充分具有了其基本可靠性、靈活性，但同時(shí)它存在缺點(diǎn)的往往則是整個(gè)模型仍然需要全部都依靠一個(gè)三維算法建模系統(tǒng)來獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成，П三維算法獨(dú)立設(shè)計(jì)也相對(duì)較于三維算法直接建模設(shè)計(jì)這樣單一的一種傳統(tǒng)三維技術(shù)方法系統(tǒng)來講也較為的難，需要去借助其他更多的新技術(shù)的遙感計(jì)算系統(tǒng)資源及影像資源。

3.2 基于傾斜攝影和測(cè)量技術(shù)的三維3D建模系統(tǒng)

傾斜立體垂直影像技術(shù)是一種基于在近年來新興的國際軍事測(cè)繪領(lǐng)域及軍事遙感領(lǐng)域進(jìn)行最新應(yīng)用發(fā)展及完善綜合起來后采用出來的另一項(xiàng)軍事新型遙感測(cè)繪成像技術(shù)，通過能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)在同一片軍事飛行的遙感平臺(tái)片面上可以同時(shí)的裝載運(yùn)行著的多臺(tái)測(cè)繪攝影機(jī)，使人們通過操作這些軍事測(cè)繪遙感設(shè)備就完全能夠?qū)崿F(xiàn)可以同時(shí)地實(shí)現(xiàn)的從任何水平到垂直、任意傾斜的垂直角度狀態(tài)下同時(shí)對(duì)其所被測(cè)的地面區(qū)物體圖像進(jìn)行立體垂直影像信號(hào)實(shí)時(shí)的立體垂直遙感采集，能夠有效獲取了比真實(shí)地面地物信息的更全面而真實(shí)準(zhǔn)確的地理信息。對(duì)真實(shí)平地景物進(jìn)行水平垂直攝影后所得的地面水平影像一般又稱為地面水平正片(紐影像)，而在攝影機(jī)鏡頭與真實(shí)地面垂直平行而呈某一定水平斜角度時(shí)則被所拍攝所得地面的垂直平面影像一般稱為垂直平行斜片(四縱影像)。

4 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)對(duì)角線傾斜攝影三維測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用可以用于為整個(gè)城市規(guī)劃及建設(shè)規(guī)劃提供一個(gè)有效決策指導(dǎo)，特別重點(diǎn)是能快速高效實(shí)現(xiàn)城市三維建模，提供整個(gè)建設(shè)或規(guī)劃設(shè)計(jì)所需大量的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)信息，輔助設(shè)計(jì)項(xiàng)目人員快速進(jìn)行城市規(guī)劃監(jiān)管或設(shè)計(jì)實(shí)施工作。隨著人類科學(xué)技術(shù)日新月異的技術(shù)不斷高速發(fā)展，無人機(jī)對(duì)角線傾斜的攝影與測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用在中國未來城市交通的城市三維建模工作中還將顯示有其更好大的空間發(fā)展前景。研究無人機(jī)對(duì)角線攝影測(cè)量方法和無人機(jī)三維建模中的有關(guān)內(nèi)容將具有相當(dāng)重要地學(xué)意義，這必然與我國三維智能城市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程的高速發(fā)展也密切的相關(guān)。進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，人們各方面發(fā)展的信息需求都不斷得到增加，城鎮(zhèn)化趨勢(shì)已開始成為整個(gè)社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的兩個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)點(diǎn)之一。近年來，三維智慧城市項(xiàng)目數(shù)量正不斷在增加，整體規(guī)劃建設(shè)技術(shù)需求變化也日益不同，為盡快滿足國內(nèi)該研究領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展新需求，我國學(xué)者將三維無人機(jī)對(duì)角線攝影及測(cè)量等技術(shù)研究與三維城市建模工程相結(jié)合，取得了比較良好實(shí)用的研究效果。