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基于無人機傾斜攝影技術的三維精細模型制作

來源:《測繪通報》 作者:朱國強、劉勇、程鵬正 2016-10-26 

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(天津騰云智航科技有限公司,天津,空港經濟區,300300)

Made fine 3D model Based on the unmanned aerial vehicle (uav) oblique photogrammetry technology

 

摘要:隨著無人機傾斜攝影技術的快速發展,對于精細三維場景制作的研究也在不斷完善、不斷深入。基于中海達自主研發的多旋翼無人機及傾斜相機,獲取測區地面目標多視影像數據,利用武漢天際航公司軟件處理體系,實現了模型可單體化管理的高精度三維場景制作,為基于無人機傾斜攝影技術的三維精細模型制作提供了一體化解決方案。

 

關鍵詞:中海達;無人機;傾斜攝影技術;單體化;三維模型

 

一、引言

傳統的三維建模一般都是基于遙感影像、CAD平面圖和外業拍攝照片等數據,通過使用3dsMax、AutoCAD、SketchUp等建模軟件進行人工建模。利用這種方式進行三維建模,紋理與實際紋理偏差較大,模型數據精度較低,需要大量的人工參與,模型時效性低,無法真正滿足客戶的需求。因此,對于精細三維模型的快速制作需求顯得日益迫切。

近年來,隨著無人機航空遙感技術的快速發展,無人機傾斜攝影技術應運而生。傾斜攝影技術是測繪領域近年來發展起來的一項高新技術,通過在同一飛行平臺上搭載不同傾斜角度的多臺傳感器設備,同時采集同一地點垂直、傾斜等不同角度的多視影像數據,實現獲取地面目標較為完整準確的空間信息。

隨著傾斜攝影技術的快速發展,國內外很多單位、學者對三維模型的快速制作進行了研究,但目前大多數仍停留在大范圍較粗糙三維場景的制作,無法真正做到三維模型的精細化、單體化制作。本文基于中海達無人機搭載傾斜攝影相機快速獲取大范圍、高分辨率的多視影像數據,利用DP-Smart軟件快速獲得測區三維場景,通過DP-Modeler軟件實現單體化精細建模,實現了大范圍三維精細模型的快速制作。

 

二、中海達無人機傾斜攝影系統

       中海達無人機傾斜攝影系統主要包括:iFly D1四旋翼無人機飛行平臺、iCam Q5傾斜攝影相機、后處理軟件系統。如下圖1所示:

 

圖1 無人機傾斜攝影系統

2.1 iFly D1四旋翼無人機

2016年,中海達無人機公司推出了iFly D1四旋翼無人機。iFly D1采用碳纖維復合材料加工制造工藝,具備手動、增穩、自主等多種飛行模式,操作簡單,能適應多種復雜地理環境,為無人機傾斜攝影技術提供了低成本、高性能、高穩定性的專業航空攝影飛行平臺。其詳細性能參數如下表1所示:

 

表1 中海達iFly D1四旋翼無人機性能參數列表

2.2 iCam Q5專業傾斜相機

在iFly D1四旋翼無人機穩步推進和市場需求的推動下,中海達無人機公司緊接著推出了iCam Q5高分辨率、寬區域覆蓋的專業傾斜攝影相機。其性能參數如下表2所示:


表2 iCam Q5傾斜相機性能參數列表

2.3 傾斜數據處理軟件

傾斜攝影三維自動建模軟件DP-Smart是一套基于從空地多源序列影像,全自動生成高分辨率三維模型的自動化建模軟件。該軟件基于攝影測量、計算機視覺及計算幾何算法,支持全自動空三解算、密集點云生成、構建TIN網、自動紋理映射等步驟,實現三維模型的快速生成。

       傾斜攝影三維建模軟件DP-Modeler是利用傾斜攝影可實現單張影像測量原理,在垂直影像上獲取頂部結構,多視傾斜影像上獲取房屋立面結構信息,對其進行推拉、編輯、調整得到精細的單體化模型。利用傾斜攝影建筑物側面紋理可采集的特點,實現模型貼圖自動從影像中采集,一鍵完成模型貼圖。

圖3 DP-Modeler軟件建模模塊特點

 

三、基于無人機傾斜攝影技術的三維重建

隨著中海達多旋翼無人機和專業傾斜相機的相繼推出,從測區多視影像獲取到基于多視影像的精細三維場景重建都得到了很好的應用,實現了基于無人機傾斜攝影技術的精細三維場景重建。

3.1 技術流程

       基于無人機傾斜攝影技術,以中海達iFly D1四旋翼無人機為飛行平臺,搭載iCam Q5傾斜攝影相機獲取測區高分辨率多視影像,利用武漢天際航公司軟件處理體系,獲得精細三維模型數據。其總體技術流程如下圖4所示:

圖4 傾斜攝影技術流程圖

3.2 多視影像數據獲取

       利用iFly D1四旋翼無人機搭載iCam Q5傾斜攝影相機,在每個相機曝光位置上,同時從多個角度(前、后、左、右、上)采集地面目標影像,獲取地面目標高分辨率多視影像數據,一方面可用于航空攝影測量處理,另一方面為后續三維模型制作提供豐富的紋理數據。

圖5 傾斜相機多視影像獲取

在數據采集時,為了保證測區多視數據的完整性和可靠性,應注意的事項主要包括:

  1. 航線設置應比測區范圍多出一條航線,以確保能夠獲取測區范圍邊緣地物完整的紋理信息;

  2. 傾斜攝影數據的重疊率要求在65%以上,但為了保證傾斜攝影數據成圖質量,航向重疊率、旁向重疊率一般設在75%以上;

  3. 航線高度一般是根據地面分辨率(GSD)來計算,iCam Q5傾斜攝影相機不宜超過120m,若有需要,則需重新調整傾斜相機傳感器的相關設置來實現;

  4. 為了準確控制相機的曝光速度,傾斜相機多傳感器一般采用固定焦距,相機設置為快門優先,以避免“漏片”現象。

 

3.3 基于DP-Smart軟件生成三維場景

       在獲取測區地面目標高分辨率多視影像數據的基礎上,基于DP-Smart軟件,對多視影像數據采用區域網平差方法進行空三加密計算,恢復影像在拍攝瞬間的空間位置與姿態;利用多視影像密集匹配技術獲取影像的同名點坐標,進而獲得對應地物高密度的三維點云;基于點云構建地物TIN模型,通過配準TIN模型的每一個三角面片與對應紋理影像,進行模型自動紋理映射,從而得到三維模型。

圖6 基于DP-Smart軟件構建三維場景流程圖

基于DP-Smart等軟件可快速自動生成三維場景,但生成的三維模型數據具有以下一些特點:

1)生成的三維場景是整體性的,不能實現模型的單體化制作,對模型后期應用有很大局限;

2)三維模型數據量較大,對于三維場景的加載、查看帶來很多不便;

      3)三維模型精度較低,有些模型表面出現一些“漏洞”,有些模型邊緣拉花很嚴重。由于在拍攝過程中,建筑物底部紋理很容易被其它地物遮擋,很難獲取適宜的紋理,所以生成的建筑物模型底部拉花尤其嚴重。

圖7 基于DP-Smart軟件生成的建筑物模型側面

3.4 精細三維場景生成

       單體化的模型成果數據分兩種,一種是傳統的3D MAX建模,一種是傾斜攝影半自動化的生產方式。基于DP-Smart軟件生成的三維場景數據存在的一些問題,不能滿足用戶對于高精度三維模型的要求,本文基于DP-Modeler軟件半自動化方式進行模型的單體化制作。以DP-Smart生成的OSG模型作為參考,在此基礎上結合空地的影像來進行建模,實現基于多幅影像的快速、精確三維建模,達到模型與影像完全套合,使模型具有精確的三維坐標信息,實現模型貼圖自動從影像中采集,一鍵完成模型貼圖。

圖8 單體化模型線框模式                         圖9 單體化模型顯示

在基于DP-Modeler軟件對三維場景進行單體化建模后,通過模型踏平、刪除、或重建等方式,對原有三維場景進行模型整飾,進而形成可單體化管理的高精度三維場景,其優勢在于:

  1. 三維場景模型可單體化管理,為后期三維場景的應用提供了便利;

  2. 模型可準確、真實地反映建筑物局部細節,提升了用戶體驗的真實感;

  3. 相較傳統人工建模,在保證三維模型精度的情況下,極大程度地提高了工作效率;

  4. 相較基于航空攝影技術的全自動三維建模,極大地提高了三維模型的精度。

四、實驗與分析

       基于本文無人機傾斜攝影三維重建流程,對某市區和某園區進行了三維建模。利用航空攝影測量技術,經過自動空三、密集匹配等,生成了該區域的DOM。以采集的多視像片作為紋理材質,獲得了測區的三維精細模型,分別如下圖10、11所示:

圖10 某市區三維場景重建局部(某小區)             圖11 某園區三維場景重建

圖11 某市區三維場景重建

通過實驗可知,在利用iFly D1四旋翼無人機搭載iCam Q5傾斜攝影相機獲取測區地面目標多視影像數據的基礎上,利用DP-Smart軟件快速獲取測區三維場景數據,然后利用DP-Modeler軟件建立單體化精細模型,可以快速實現三維模型的單體化、精細化制作。相較于傳統利用3ds MAX等軟件進行人工建模,模型精度更高,工作效率更高。

 

五、結語

隨著航空傾斜攝影技術的快速發展,以及無人機飛行平臺、傾斜相機等新型測繪裝備的研發,基于無人機傾斜攝影的三維精細模型制作技術也在不斷的完善與發展。本文利用中海達iFly D1四旋翼無人機搭載iCam Q5傾斜相機,在對某市區和某園區進行了多視影像數據采集的基礎上,利用武漢天際航公司軟件處理體系,實現了模型可單體化管理的高精度三維場景。

基于無人機傾斜攝影的三維模型制作是近幾年的一大熱點,呈現出快速發展之勢,但仍然面臨著巨大挑戰。隨著新型測繪裝備和建模軟件的不斷改進與完善,用戶對于模型精度、建模效率的需求,模型的單體化管理和應用,以及建模流程大眾化等要求也越來越高,中海達騰云智航公司也將致力于此,不斷努力改進、完善三維精細模型制作一體化解決方案,為智慧城市建設作出貢獻。

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