無人機傾斜攝影在實景三維模型生產(chǎn)中的優(yōu)化研究

王龍

摘要：針對城區(qū)影像傾斜攝影空三解算易失敗、自動化三維模型存在瓦片接邊色差大、懸浮物、建筑底部結(jié)構(gòu)變形、紋理錯位等問題，文章在研究攝影測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，對上述問題給出可行的解決方案。文章介紹了傾斜攝影技術(shù)，給出了優(yōu)化空三加密的幾種措施，簡要描述了自動化建模流程，重點分析了模型存在問題的原因，并提出了可行的解決方案。最后，采用實際案例對優(yōu)化前后的模型進行了比較。通過比較可知，優(yōu)化后的模型表征質(zhì)量更好，模型結(jié)構(gòu)更完整，模型精度更高，可以滿足城市三維建模的要求。文章的研究可以為城市精細化實景三維模型的制作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機；傾斜攝影；空三加密優(yōu)化；實景三維模型；精細化三維模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0116-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID） ：

0 引言

無人機傾斜攝影技術(shù)近年來被廣泛用于農(nóng)村、城市實景三維模型生產(chǎn)[1]。農(nóng)村傾斜攝影作業(yè)面積小，航攝影像數(shù)量少，空三解算通過率高，而且由于樹木等遮擋少，一般模型完整度高[2-3]。三維模型成果主要用來生產(chǎn)高精度地形圖，對模型表征質(zhì)量要求不高，因此傾斜攝影技術(shù)用于農(nóng)村實景三維模型的生產(chǎn)，其自動化程度高，無須過多地對模型進行優(yōu)化[4]。城市傾斜攝影一般作業(yè)面積大，建筑較高，互相遮擋嚴重，太陽陰影比較深；低空飛行，影像畸變大，在空三解算時，容易出現(xiàn)空三解算失敗的問題[5]。由于航攝影像的特點，導(dǎo)致城區(qū)自動化建模成果易出現(xiàn)瓦片接邊色差大、懸浮物多、建筑底部結(jié)構(gòu)變形、紋理錯位等問題[6-7]。一般而言，城市三維模型的建設(shè)，其用途更廣，對模型要求更高，因此自動化三維模型無法滿足城市建模要求，須對模型進行精細化處理。本文從上述問題出發(fā)，首先介紹了無人機傾斜攝影技術(shù)，對空三加密易失敗的原因進行了分析，并提出了幾種優(yōu)化措施；對自動化建模流程進行了簡述，重點分析了模型存在問題的原因，并給出了解決方案。最后采用實際項目數(shù)據(jù)，對部分問題模型進行了優(yōu)化處理，并對優(yōu)化前后的模型從表征質(zhì)量、模型結(jié)構(gòu)完整性和模型精度三方面進行了比對分析。通過分析可知，精細化處理后的模型成果更能滿足城市三維模型建設(shè)的要求。本文的研究可為城市精細化三維模型建設(shè)提供參考。

1 無人機傾斜攝影技術(shù)

垂直攝影測量是從空中垂直地面進行航攝，而傾斜攝影則是一種搭載多鏡頭，從空中多個角度向地面進行攝影的一種作業(yè)方式。由于搭載的鏡頭較多，獲取影像的視角更豐富，因此獲得的影像信息更加豐富，成果種類也更多。傾斜攝影組合通常有2個鏡頭、3個鏡頭、5個鏡頭甚至更多，其中使用最廣泛的是5 個鏡頭。在航攝過程中，隨著無人機沿航線飛行，相機按照一定距離曝光，在航向上獲得連續(xù)重疊的影像數(shù)據(jù)，其示意圖如圖1所示。

2 空三加密優(yōu)化研究

空三加密是攝影測量數(shù)據(jù)解算的核心部分。對于傾斜攝影測量來說，由于影像畸變大、冗余度高、影像分辨率差異大，很容易導(dǎo)致空三加密解算失敗。為了提升空三加密的成功率，文章從輸入數(shù)據(jù)方面入手，給出了幾種優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)的方案，可以在一定程度上提升空三加密解算的成功率。

2.1 優(yōu)化相機參數(shù)

傾斜相機檢校成本高，能夠提供檢校的場地少，因此在實際作業(yè)中，很少對相機進行檢校。多數(shù)情況下采用的是相機自檢校，即通過影像之間的關(guān)系，在解算影像時優(yōu)化相機參數(shù)。影像數(shù)據(jù)量大，容易導(dǎo)致解算失敗。在優(yōu)化相機參數(shù)時，可通過少量影像數(shù)據(jù)解算及平差調(diào)整，得到精度更高的相機參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 提升影像質(zhì)量

空三加密解算的本質(zhì)是提取同名點，其在影像中體現(xiàn)為像素值。在受到不同外界因素的影響下，同一地物在不同影像上的像素值是不同的；影像匹配是基于像素完成的，航攝影像存在枕形和桶形兩種畸變。像素值和影像畸變都會影響空三加密解算的結(jié)果，因此需要提升影像質(zhì)量。對于像素值不同的問題，可采用勻色的方式完成，即選擇地物信息豐富的影像作為模板，對所有影像進行勻色處理。對于影像畸變問題，可采用精確的相機參數(shù)對影像的畸變進行糾正，也可通過設(shè)置蒙板，使影像邊緣數(shù)據(jù)不參與空三加密，從而提升影像的質(zhì)量。

2.3 優(yōu)化POS 數(shù)據(jù)

目前傾斜設(shè)備雖然安裝了多個相機，但是POS記錄設(shè)備通常只有一個，負責記錄下視相機曝光時的位置和姿態(tài)。對于傾斜攝影來說，雖然不同相機的安裝位置很接近，但存在一定的角度和距離差異。以下視POS數(shù)據(jù)代替?zhèn)纫昉OS數(shù)據(jù)進行解算時，不能準確恢復(fù)側(cè)視相機曝光時的位置和姿態(tài)，因此用下視POS代替?zhèn)纫昉OS的精度還須進一步提升。為提升POS精度，常用的方法有以下幾種：1） 在已知下視和側(cè)視相機安裝位置角度關(guān)系的基礎(chǔ)上，以下視POS為基準，結(jié)合相機安裝的距離和角度參數(shù)，對側(cè)視POS數(shù)據(jù)進行解算；2） 借助第三方軟件，采用數(shù)據(jù)解算的方式，不斷優(yōu)化POS數(shù)據(jù)精度；3） 利用實時差分或者后差分技術(shù)，準確解算得到高精度的POS數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 自動化三維模型生產(chǎn)

自動化三維模型生產(chǎn)主要包括外業(yè)航攝影像數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算，其流程如圖2所示。

4 精細化三維模型生產(chǎn)

4.1 模型問題產(chǎn)生的原因及解決方案

4.1.1 瓦片接邊色差

傾斜攝影由于搭載的相機多且角度朝向不同，因此在航攝過程中，每個相機的進光量是不同的，這導(dǎo)致航拍出來的影像色差差異較大，并且由于建筑物互相遮擋等原因，也導(dǎo)致航攝獲取的影像陰影較大。在建模時，模型成果的最小分塊是瓦片，建模軟件會對瓦片顏色進行整體調(diào)整，這也會導(dǎo)致瓦片接邊出現(xiàn)色差。

對于瓦片接邊出現(xiàn)色差問題，目前主要采用兩種方案進行優(yōu)化。一種是對原始航攝影像進行勻光勻色，這種方式在一定程度上會使影像失真，丟失影像部分信息。另一種方式是利用下視鏡頭影像生成數(shù)字正射影像圖，然后將數(shù)字正射影像的紋理信息映射到實景三維模型上。由于下視鏡頭始終垂直地面拍攝，其相機曝光時的進光亮度差異不大，建筑物互相遮擋的影響也較小。瓦片分塊采用規(guī)則平面格網(wǎng)方式，對高程沒有要求，只須保證平面紋理能夠映射即可。這為正射影像紋理能夠映射到模型上提供了保障。

4.1.2 懸浮物

懸浮物產(chǎn)生的原因是構(gòu)建的三角網(wǎng)不連續(xù)，而三角網(wǎng)的構(gòu)建是基于多視影像匹配得到的密集點云。對于部分地物，如樹木、路燈等，由于樹干較細，在點云匹配時，匹配得到的點云較少。按照目前構(gòu)建三角網(wǎng)的算法，由于點云的點太少，構(gòu)建三角網(wǎng)就不能連續(xù)，因此就會出現(xiàn)懸浮物。

對于懸浮物的處理，目前主要采用兩種方案優(yōu)化。一種是從構(gòu)建三角網(wǎng)入手，讓軟件盡可能構(gòu)建完整連續(xù)的三角網(wǎng)，另一種是從刪除三角網(wǎng)入手，即將模型場景中的懸浮物刪除。構(gòu)建連續(xù)三角網(wǎng)的前提是得到更密集的點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)的獲取可以采用激光掃描方式獲取，也可以獲取更高分辨率的影像。在影像數(shù)據(jù)解算時，其最高精度是1/2個像素，一般都是1個像素，密集點云計算是基于像素完成的，影像分辨率越高，每個像素對應(yīng)的面積更小，同一片區(qū)域，可以解算得到更多的點云數(shù)據(jù)成果。刪除三角網(wǎng)是指將孤立的、與模型場景不粘連在一起的懸浮物刪除，這種方式作業(yè)效率高，可操作性強。

4.1.3 建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)變形與紋理錯位

三維模型結(jié)構(gòu)是通過無數(shù)個三角網(wǎng)組建而成，而三角網(wǎng)則是基于密集點云創(chuàng)建的，因此決定三維模型結(jié)構(gòu)的主要是密集點云。在航攝過程中，由于建構(gòu)筑物互相遮擋，航攝視角存在盲區(qū)；在數(shù)據(jù)解算時，密集點云匹配是基于影像數(shù)據(jù)的。由于航攝盲區(qū)的存在，導(dǎo)致生產(chǎn)的建構(gòu)筑物模型底部結(jié)構(gòu)變形、紋理錯位。

對于建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)變形及紋理錯位這種問題，目前主要采用以下幾種方案對模型進行優(yōu)化：1） 航攝影像數(shù)據(jù)與地面補拍影像數(shù)據(jù)融合建模。地面補拍數(shù)據(jù)可以彌補航攝時建構(gòu)筑物底部影像數(shù)據(jù)無法獲取的問題，將兩種方式獲取的影像數(shù)據(jù)融合建模，可以提升數(shù)據(jù)成果結(jié)構(gòu)的完整性。2） 航攝影像數(shù)據(jù)與激光點云數(shù)據(jù)融合建模。建構(gòu)筑物變形主要是因為點云數(shù)量太少，無法準確構(gòu)建其結(jié)構(gòu)。在采用激光方式獲取建構(gòu)筑物點云數(shù)據(jù)時，要同步獲取每個點對應(yīng)的紋理數(shù)據(jù)，構(gòu)建得到完整的建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)，并將真實的紋理數(shù)據(jù)進行映射。3） 基于虛擬立體像對，采集每個建筑物的頂點三維坐標，并將對應(yīng)的三維坐標連線，構(gòu)建得到最終的建構(gòu)筑物輪廓。通過恢復(fù)的立體像對，將最佳位置的影像數(shù)據(jù)映射到建構(gòu)筑物上。對于紋理錯位的情況，聯(lián)動Photoshop軟件進行紋理的修飾與重新映射。

4.2 實際生產(chǎn)模型優(yōu)化對比

4.2.1 瓦片接邊色差優(yōu)化

本次生產(chǎn)的實景三維模型中，部分瓦片接邊色差大，影響了模型成果的質(zhì)量。為了高效率完成瓦片接邊色差的優(yōu)化，本次采用了下視航攝影像生產(chǎn)數(shù)字正射影像，并對瓦片接邊區(qū)域進行了紋理映射。映射前后的瓦片接邊色差對比如圖3所示。

通過對比可知，采用正射影像進行映射得到的模型解決了瓦片接邊色差的問題，接邊區(qū)域的過渡更加自然，成果質(zhì)量也得到了提高。

4.2.2 懸浮物刪除

本次生產(chǎn)的實景三維模型中，部分路燈和樹木出現(xiàn)了懸浮物。筆者利用智覺空間的修模軟件直接對懸浮物進行了刪除，刪除前后的懸浮物對比如圖4所示。

通過對比可知，刪除懸浮物后的模型場景表征質(zhì)量更好，整體場景顯得更加清晰。

4.2.3 建構(gòu)筑物變形拉花處理

對于建構(gòu)筑物底部結(jié)構(gòu)變形，紋理映射錯位的模型，本次采用SVSGeoModeler軟件恢復(fù)傾斜空三。基于立體像對采集建構(gòu)筑物輪廓，并完成紋理的映射。隨后，聯(lián)動使用Photoshop軟件，對貼圖錯位的區(qū)域進行重新貼圖，并將結(jié)果重新映射到模型上。如圖5所示，是對某棟建筑優(yōu)化前后的白模對比圖，圖6是映射紋理后的效果對比圖。

利用外業(yè)采集的檢查點，對自動化三維模型和單體化三維模型精度檢測。由檢測結(jié)果可知，單體化三維模型精度更高。

5 結(jié)束語

文章介紹了傾斜攝影技術(shù)，并提出了幾種解決城區(qū)影像空三加密易失敗的方案。簡述了實景三維模型的生產(chǎn)流程，對模型存在問題的原因進行了分析，并給出了解決方案。以實際作業(yè)數(shù)據(jù)為例，我們從模型表征質(zhì)量、模型結(jié)構(gòu)和模型精度幾個方面進行了比對分析。結(jié)果表明：采用本文方案生產(chǎn)的模型更符合城市精細化三維模型制作的要求。文章的研究可為城市精細化三維模型制作提供參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】