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应用无人机倾斜摄影测量的佛山城市三维建模技术探讨

2020-03-02古敏聪

科技创新导报 2020年21期
关键词:倾斜摄影测量无人机

古敏聪

摘  要:无人机倾斜摄影是当前热门的城市三维建模研究和应用内容。本文介绍了无人机倾斜摄影技术,分析了无人机倾斜摄影在城市三维建模的应用情况,分析了无人机倾斜摄影在三维城建建模过程和成果中的优劣势,探索总结了一套无人机倾斜摄影城市三维建模的改进方法,将倾斜摄影和MAX等技术有效结合进行城市三维建模,最后介绍了利用改进方法在佛山市进行三维建模的实践案例,指导和推进基于无人机倾斜摄影三维模型的质量改善。

关键词:无人机  倾斜摄影测量  三维城市模型  空三加密

中图分类号:P231           文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2020)07(c)-0175-03

Abstract: UAV tilt photography is a popular research and application content of urban 3D modeling. This paper introduces the technology of UAV tilt photography, analyzes the application of UAV tilt photography in urban 3D modeling, analyzes the advantages and disadvantages of UAV tilt photography in the process and results of 3D urban construction modeling, explores and summarizes a set of improvement methods of UAV tilt photography in urban 3D modeling, and effectively combines tilt photography and Max technology to carry out urban 3D modeling After that, it introduces the practice cases of 3D modeling in Foshan City by using the improved method to guide and promote the quality improvement of 3D model based on UAV tilt photography.

Key Words: UAV; Tilt photogrammetry; 3D city model; Space three encryption

三维城市运用描述城市地上景观的三维模型来表达数字城市空间信息,是表达城市信息的重要载体,对城市规划、建设、管理和应急响应有着极其重要的作用,三维城市已经展现出其较高的经济价值和应用潜力。

传统的三维城市模型生产制作是结合遥感影像图和地形图,得到精确的、可靠性强的建筑物模型、道路模型及其他景观小品模型,将组成城市要件的各类三维模型集成为三维城市场景。这种方法适合于普通精度的三维城市建模,但是对于高精度、高仿真、大区域的建模,传统方法势必需要投入更多的作业人员,其建模速度、效率以及时效难以满足三维城市的应用。

三维城市建模也可以利用三维激光扫描获取地面三维几何数据,运用激光测距原理快速建立物体三维模型,但是该方法不能解決纹理数据获取和处理的问题,纹理贴图依然需要依靠大量人机交互来完成,无法进一步的提升城市三维建模质量。

1  基于无人机倾斜摄影的三维城市建模方法分析

中国、美国及欧洲部分国家正在开展基于无人机倾斜摄影测量技术的三维城市模型生产和应用,对于城市三维建模,无人机倾斜摄影测量技术有以下优势:

(1)无人机机动性强、成本低,能够满足多种尺度的摄影测量数据采集;

(2)能够快速处理大范围场景的倾斜影像,建立具有高精度的真三维模型;

(3)高分辨率影像自动贴图,提高三维模型的生产效率;

(4)可量测、可定位的三维模型,模型数据直接进行网络发布和共享应用。

无人机倾斜摄影测量技术利用航空影像快速数据获取方法,一次性处理多幅影像,建立区域初始实景三维模型,该技术能够节约大量人工建模时间成本,提高三维城市发展的效率。

利用无人机倾斜摄影影像进行三维城市模型生产流程如下:

在实际的生产处理过程中,受无人机等设备、大气环境及软件算法影响,实际模型会有一定的畸变和错误,引起视觉误差和应用障碍。主要的模型畸变及原因有:

(1)无人机姿态变化和颠簸影响影像重叠度、几何畸变等,造成模型凸包、破洞等;

(2)大气环境噪声引起的模型飞面、凸包等;

(3)不同时段光照引起的模型纹理不均匀、破洞等;

(4)像主点落水而引起的水面缺失等;

(5)影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型边缘平滑等。

引起模型缺陷的原因是多样化、复杂的,这也是当前阶段下基于无人机倾斜摄影测量技术进行三维城市建模所面临的不可避免的问题,采用无人机倾斜摄影测量技术快速、高效生产三维城市模型并提高三维城市模型质量是亟待解决的问题。

2  基于无人机倾斜摄影三维城市建模优化方法

通过分析三维城市模型建设现状和模型成果的缺陷,可知现状三维城市模型需要改进的方面有:(1)几何修复:对破洞进行修补,凸包抹平并还原,删除飞面等碎部;(2)细部整饰:重要地物和标志物的三维模型整饰或替换;(3)纹理修补:替换和修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理等。

实际上,纹理映射和曲面平滑始终伴随着几何修复的过程,如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度,是目前主要的问题之一。

3  无人机倾斜摄影测量

3.1 三维城市模型的二次处理

结合传统建模的优点和成熟技术,对无人机倾斜摄影三维成果模型中需要改进的地物目标或区域进行二次处理的技术路线如图2所示。

3.2 利用空三成果快速修复模型

摄影测量空三加密是根据若干均匀分布于区域内的控制点,运用立体测图技术,计算得到匹配加密点的高程和平面位置。空三加密过程是基于倾斜摄影测量技术三维建模重要的步骤,空三运算后的影像是经过校正和绝对定向了的,多张影像间的同一匹配点能够准确叠合,影像上的任一点具有空间几何信息,即具备定位性质和可量测性。

开发一套模型辅助编辑系统,导入空三加密成果和初始化重建三维模型,根据空三技术和空三加密成果的特点,利用空三加密成果,对原始模型缺陷明显的目标和区域进行几何修复和纹理修补工作。

该编辑系统的核心功能有三维模型同名点搜索、空三影像纹理自动提取、模型交互制作等,所有功能组织以空三后的影像数据为核心,充分利用纠正的倾斜影像和加密点,进行模型纹理提取和定向、建模。

4  优化方法的建模实践

利用上述基于无人机倾斜摄影测量成果的城市三维模型质量优化方法,我们在佛山进行了三维城市建模的实践和验证。

在佛山建筑保护项目中,利用无人机对该区3.46km2区域进行十字交叉航线法区域倾斜影像采集,通过倾斜摄影测量技术进行初始三维建模,并对区域内29地处重点保护建筑进行了三维精细化建模,利用无人机低空灵活飞行的特点克服传统建模无法收集目标物顶部及上部纹理和形态数据的缺陷,同时高质量获取侧面纹理和数据来辅助精细建模,将传统方法与无人机倾斜摄影测量技术相结合,利用传统方法对重点保护建筑进行侧面精细建模,利用无人机倾斜摄影测量技术对顶面进行建模,两手段相结合,完成重点保护建筑的精细建模。对模型局部缺陷进行修补,将重点保护29处建筑模型在倾斜摄影初始三维模型中进行一一替换,并进行模型的一体化集成。

该项目结合无人机倾斜摄影测量技术和传统建模技术的优点,利用无人机低空飞行采集目标物顶部高清序列影像,解决了倾斜摄影实景模型细节补充和精细建模的问题,丰富了建模数据采集的手段,满足了项目对各类数据精度的需求。

5  结语

在三维城市项目中,无人机倾斜摄影测量技术随着建模范围的增大,快速的倾斜影像采集和自动化空三及建模使得其在建模的效率上具有强大的优势。本文提出的人工干预方法和空三成果的辅助应用建模优化方案已经在工程和应用项目中进行了验证,对模型中有明显缺陷和不足的局部进行模型修改和重建,大大提升了三维城市模型生产的质量和效率。

参考文献

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