基于無人機(jī)數(shù)據(jù)的精細(xì)化模型制作研究

徐夢(mèng)潔 鄭朝峰 季曉菲

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航攝；精細(xì)化模型；實(shí)景三維Mesh 模型；建筑物優(yōu)化；懸浮物優(yōu)化

0 引言

隨著低空無人機(jī)攝影技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜相機(jī)組裝技術(shù)日益完善，影像解算軟件不斷優(yōu)化更新?；趦A斜攝影技術(shù)采集無人機(jī)影像，利用專業(yè)軟件對(duì)采集的影像進(jìn)行解算，結(jié)合高精度控制點(diǎn)成果，生產(chǎn)實(shí)景三維模型和各種測(cè)繪產(chǎn)品，已成為測(cè)繪產(chǎn)品主流的生產(chǎn)方式[1-3]。由于傾斜攝影一般具有多視角、高重疊度、高分辨率的特點(diǎn)，因此傾斜攝影解算精度更可靠，產(chǎn)品用途更加廣泛[4-5]。然而，基于傾斜攝影方式采集的影像同時(shí)也存在航攝盲區(qū)、影像畸變大、冗余度高的特點(diǎn)，這為影像數(shù)據(jù)的解算和高質(zhì)量模型的生產(chǎn)帶來了影響[6-8]。為了提升實(shí)景三維模型成果的質(zhì)量，筆者對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)展開了深入研究，并對(duì)實(shí)景三維模型中影響模型質(zhì)量的環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。分析了模型質(zhì)量不高的原因，并針對(duì)不同的原因，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，從而提升模型的質(zhì)量。為了驗(yàn)證本文提出方案的可行性，以某城市實(shí)景三維模型生產(chǎn)項(xiàng)目為研究對(duì)象，將本文的優(yōu)化措施用于該項(xiàng)目中部分模型的優(yōu)化，得到了高質(zhì)量的實(shí)景三維模型成果。本文的研究對(duì)于精細(xì)化高質(zhì)量模型的制作具有一定的借鑒意義。

1無人機(jī)傾斜攝影

1.1 無人機(jī)傾斜攝影原理

在無人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載1臺(tái)或多臺(tái)航攝儀，采用交叉五向飛行或航線飛行方式，獲取目標(biāo)物體頂部和側(cè)面紋理影像數(shù)據(jù)。同時(shí)利用搭載的慣導(dǎo)設(shè)備，記錄航攝儀曝光時(shí)的位置和姿態(tài)。采用專業(yè)的軟件，結(jié)合位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用SIFT、ORB、SURF等匹配算法，對(duì)航攝影像進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，并基于匹配的同名點(diǎn)完成影像點(diǎn)云的密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建和優(yōu)化、白模的制作和影像紋理優(yōu)化映射，最終得到實(shí)景三維Mesh模型、數(shù)字真正射影像等成果。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)組成

無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)主要包括飛行平臺(tái)、傾斜相機(jī)設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)設(shè)備。飛行平臺(tái)需要能夠滿足低空飛行，飛控能夠控制相機(jī)同時(shí)作業(yè)，獲取厘米級(jí)分辨率的影像數(shù)據(jù)。目前飛行平臺(tái)主要有無人機(jī)和有人機(jī)，無人機(jī)又分為多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)。傾斜相機(jī)設(shè)備需要滿足整體重量輕、單相機(jī)像素高、集成總相機(jī)像素高、相機(jī)鏡頭焦距固定等要求。目前傾斜相機(jī)主要有2個(gè)鏡頭、3個(gè)鏡頭和5個(gè)鏡頭等，傾斜相機(jī)焦距常見的為25mm、35mm、40mm 和50mm等。數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)公司目前較多，國(guó)外的軟件主要有美國(guó)本特利的Context Capture，瑞典的Pix4D Mapper，俄羅斯的Agisoft PhotoScan等；國(guó)內(nèi)的軟件主要有上海瞰景科技Smart3D，大疆的大疆智圖，航天遠(yuǎn)景的Virtuoso3D等。不同軟件之間由于算法存在差異性，因此解算得到的成果精度和解算效率也存在較大差異，而且傾斜影像存在畸變大、重疊度高、分辨率差異大等問題，導(dǎo)致部分軟件解算得到的空三成果存在分層、彎曲等問題，無法直接使用。計(jì)算機(jī)設(shè)備主要考慮顯卡、CPU、內(nèi)存條大小和硬盤讀寫速度等因素，這些都直接影響模型的生產(chǎn)效率。

1.3 無人機(jī)傾斜攝影建模流程

基于傾斜影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)景三維模型的主要過程包括前期數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測(cè)量解算和實(shí)景三維模型制作等，具體的作業(yè)流程如圖1所示。

2 精細(xì)化模型制作優(yōu)化措施

對(duì)于模型成果質(zhì)量的評(píng)價(jià)，除了對(duì)成果附件、坐標(biāo)系統(tǒng)、絕對(duì)精度、相對(duì)精度等進(jìn)行評(píng)價(jià)外，還包括對(duì)模型結(jié)構(gòu)的完整性和紋理的正確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文主要從模型結(jié)構(gòu)和紋理兩方面展開研究，分析不同模型結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生的原因，并給出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，然后對(duì)紋理進(jìn)行編輯，以獲得高質(zhì)量的成果。模型結(jié)構(gòu)問題常見的有路燈、樹木懸浮物問題和建筑物結(jié)構(gòu)扭曲變形問題。這兩個(gè)問題影響了模型成果的視覺效果，因此需要對(duì)該類問題進(jìn)行優(yōu)化處理。

2.1 懸浮物問題產(chǎn)生原因及優(yōu)化措施

實(shí)景三維模型其本質(zhì)是“一張皮”模型，即屬于表皮模型，組成該表皮模型的最小單元是三角網(wǎng)面片，而反映地形起伏變化、建筑物結(jié)構(gòu)的也是該三角網(wǎng)面片。通過圖2的實(shí)景三維模型制作流程可知，不規(guī)則三角網(wǎng)是基于稠密點(diǎn)云構(gòu)建的，而稠密點(diǎn)云則是通過影像的密集匹配得到的。因此，對(duì)于懸浮物問題，其根本的產(chǎn)生原因是構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)了不連續(xù)。樹木、路燈這類地物，都具有中間部分較細(xì)小的特點(diǎn)，這種地物在進(jìn)行多視影像密集匹配過程中，能夠解算匹配得到的點(diǎn)較少，由于稠密點(diǎn)云數(shù)量少，按照不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則，構(gòu)建的三角網(wǎng)數(shù)量較少，出現(xiàn)了構(gòu)網(wǎng)不連續(xù)現(xiàn)象，因此出現(xiàn)懸浮這一問題。

對(duì)于懸浮物的處理，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化處理。1）獲取更高分辨率的影像數(shù)據(jù)。在多視影像密集匹配與聯(lián)合平差過程中，對(duì)于分辨率低的影像匹配得到的稠密點(diǎn)云，由于其精度低，因此在聯(lián)合平差過程中，易被作為錯(cuò)誤點(diǎn)進(jìn)行刪除。在同一軟件中，影像分辨率越高，匹配得到的點(diǎn)云精度越高，且點(diǎn)云數(shù)量更多。因此，獲取更高分辨率的影像數(shù)據(jù)有助于解決懸浮物這一問題。目前，獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)的常用方法包括仿地飛行、貼近攝影測(cè)量和地面補(bǔ)攝等。2）獲取重疊度更高的影像數(shù)據(jù)。在影像解算過程中，密集點(diǎn)云的數(shù)量和影像的數(shù)量密切相關(guān)。當(dāng)其他條件不變時(shí)，重疊度越高，獲取的影像數(shù)量就越多，從而可以獲取更稠密的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保證構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)，解決懸浮物問題。3）獲取更加密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)是三角網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，因此獲取更高分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以保證構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)。對(duì)于點(diǎn)云的獲取，除了基于影像匹配得到外，還可以直接采用三維激光掃描獲取。由于航攝精度和掃描精度不一致，因此需要利用公共控制點(diǎn)對(duì)兩套數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，在精度符合誤差要求后，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到傾斜影像解算軟件中，完成連續(xù)三角網(wǎng)的構(gòu)建。4）利用模型庫(kù)中的模型對(duì)懸浮物進(jìn)行刪除和替換。這是目前最常用的方式。對(duì)于實(shí)景三維模型，可以使用專業(yè)軟件對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行編輯。編輯的本質(zhì)是改變?cè)腥蔷W(wǎng)的結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建。對(duì)于懸浮物的處理，一般是選中懸浮物，并直接刪除，然后對(duì)高出地面部分的區(qū)域進(jìn)行壓平處理。壓平處理后的模型一般會(huì)出現(xiàn)三角網(wǎng)疊加問題，在查看時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃面問題，因此，對(duì)壓平的區(qū)域進(jìn)行刪除，然后利用周邊的三角網(wǎng)對(duì)刪除后的孔洞進(jìn)行內(nèi)插，構(gòu)建新的三角網(wǎng)，從而解決閃面問題。最后，結(jié)合空三加密成果，對(duì)編輯后的區(qū)域紋理進(jìn)行修改，確保紋理過渡自然，與周邊環(huán)境相適應(yīng)。對(duì)于在第三方平臺(tái)展示的模型，可以直接將模型庫(kù)中的模型植入到平臺(tái)中，然后對(duì)植入的模型尺寸進(jìn)行修改，從而使模型更加真實(shí)，解決模型成果質(zhì)量不佳的問題。

2.2 建筑物扭曲變形問題產(chǎn)生原因及優(yōu)化措施

由于航空攝影是從空中對(duì)地面進(jìn)行影像采集，因此對(duì)于密集建筑區(qū)域、道路兩側(cè)的臨街商鋪、屋檐、門廊等下面，是無法直接獲取到影像數(shù)據(jù)的。在影像解算過程中，對(duì)于有影像的部分，可以準(zhǔn)確解算得到密集點(diǎn)云；然而，對(duì)于航攝盲區(qū)，則無法準(zhǔn)確解算得到點(diǎn)云。該部分點(diǎn)云稀少且精度差，導(dǎo)致在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)量少，無法準(zhǔn)確構(gòu)建三角網(wǎng)，因此出現(xiàn)了建筑物結(jié)構(gòu)扭曲變形的問題。由于無可靠影像，在紋理映射過程中也會(huì)將錯(cuò)誤的紋理映射到模型上，導(dǎo)致模型整體視覺效果差，質(zhì)量低。

針對(duì)建筑物底部結(jié)構(gòu)變形問題的處理，通常采用三維激光掃描方式和單體化方式進(jìn)行優(yōu)化處理。三維激光掃描方式即采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)方式獲取建筑物底部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，然后利用控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，將影像紋理映射到點(diǎn)云上，得到彩色點(diǎn)云成果。通過公共控制點(diǎn)對(duì)傾斜空三成果進(jìn)行平差糾正，在確保掃描的點(diǎn)云成果和影像成果精度在誤差允許范圍內(nèi)的情況下，將點(diǎn)云成果導(dǎo)入建模軟件中，通過兩套點(diǎn)云的融合進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建，從而得到高質(zhì)量建筑物模型。單體化方式即以傾斜空三加密成果為基礎(chǔ)，將該成果數(shù)據(jù)恢復(fù)到單體化軟件中，利用恢復(fù)的立體像對(duì)模型，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行采集，然后得到建筑物白模，利用空三成果，將影像的紋理映射到白模上，然后編輯修改映射的紋理，直到紋理與實(shí)際情況相符，從而得到高質(zhì)量的模型成果，解決建筑物扭曲變形的問題。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

某城市開展實(shí)景三維模型生產(chǎn)，利用專業(yè)的傾斜攝影建模軟件生產(chǎn)的模型成果存在樹木懸浮物、建筑扭曲變形的問題，影響模型成果的整體質(zhì)量?；诒疚奶岢龅哪Ｐ蛢?yōu)化措施，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，得到了質(zhì)量較高的模型成果。部分模型優(yōu)化前后的效果對(duì)比圖如圖2和圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先探討了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，其次深入分析了模型懸浮物、建筑物扭曲變形問題產(chǎn)生的原因，并給出相應(yīng)的模型優(yōu)化措施。最后以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)本文提出的措施的可行性和優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。通過優(yōu)化前后的模型對(duì)比可知，采用本文提出的措施可以得到精細(xì)化模型。本文的研究對(duì)于無人機(jī)數(shù)據(jù)精細(xì)化模型的制作具有一定的借鑒意義。