基于无人机倾斜摄影的三维模型构建及其优化研究.pdf
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1、经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言近年来,随着 实景三维中国建设技术大纲(2021 版)新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件 等文件的颁布,同时在国家大力推进实景三维建设的大背景下,全国各地的实景三维中国建设如火如荼。无人机倾斜摄影测量建模作为实景三维建模手段之一,不仅能反映地物的客观情况,同时也能利用先进的定位技术和融合技术构建出真正的实景三维模型。但无人机倾斜摄影测量的不足在于所生成的三维模型是整体的且精度较低,部分模型的表面存在漏洞,甚至有些模型的边缘严重拉花。针对这些问题,本文对无人机倾斜摄影测量精细化实景三维模型的构建与优化进行了深入分析与研究。
2、1无人机倾斜摄影测量基础理论1.1倾斜摄影测量工作原理传统摄影测量技术仅从垂直方向采集地物信息,而倾斜摄影技术从垂直和倾斜等不同角度采集地物影像,同时通过惯性导航系统来获得高精度的位置和姿态信息,是一种较为先进的数据获取方式。倾斜影像中涵盖了地物的顶部和侧面信息,具有传统垂直摄影影像的特点,同时它的可读性较强,更加贴近于人眼获取信息的习惯,更容易被大众接受与理解,具有较大的应用空间。1.2倾斜摄影关键技术1.2.1数据预处理数据预处理主要包括对控制点测量数据、POS 数据和倾基于无人机倾斜摄影的三维模型构建及其优化研究赵永康(吉林省地矿测绘院,吉林 长春 130062)摘要:无人机倾斜摄影制作
3、三维模型,由于其成本低、效率高,成为城市三维建模的首选。而无人机倾斜摄影三维建模中,数据冗余、模型变形和影像缺失等多种问题常常会影响建模效果。研究以某地文化广场为研究区域,利用无人机搭载多镜头相机进行空中倾斜影像的数据采集,Bentley ContextCapture 软件进行实景三维模型的构建,通过对模型的分割,实现建筑模型的单体化,并对单体化模型进行精度分析及精细化处理,得出了一种能够使模型构建更加精细的优化方案,此方案快速且有效。关键词:无人机倾斜摄影;三维模型构建;单体化中图分类号:P231文献标识码:A文章编号:2095-7319(2023)03-0070-05Research on
4、 fine reconstruction technology of 3D model based onUAV oblique photographyZHAO Yongkang(Jilin Institute of Geology and Mineral Mapping,Changchun 130062,China)Abstract:Unmanned aerial vehicles(UAVs)have become the preferred choice for urban 3D modeling due to their low cost and highefficiency in pro
5、ducing 3D models using oblique photography.However,in the process of 3D modeling of UAV obliquephotography,multiple problems such as data redundancy,model deformation and image missing often affect the modeling effect.Thisarticle takes a cultural plaza in a certain area as the research area,and uses
6、 drones equipped with multi-lens cameras to collect dataon aerial oblique images.Bentley ContextCapture software is used to construct a realistic 3D model.Through model segmentation,the building model is discretized,and the precision analysis and processing are carried out on the discretized model s
7、o as to obtain anoptimization plan that can make the model construction more precise.This solution is fast and effective.Key words:UAV;3D model;haplochromatization收稿日期:2022-04-12作者简介:赵永康(1975),男,陕西商洛人,本科,高级工程师,主要从事测绘相关工作。E-mail:706月斜影像数据的处理。对于控制点测量数据,需要检查在实测过程中是否有浮动解和重复观测的情况,同时剔除不合格的数据。POS 数据是由飞行平台搭
8、载的 POS 系统获取的定位和定向数据,由于倾斜摄影测量需要在三维直角坐标系中进行计算,因此需要将原始 POS 数据记录的 WGS-84 坐标系下位置信息转换至 CGCS 2000 坐标系下。对于倾斜影像数据除了对其进行畸变处理以及匀光匀色外,文件名称也要与POS 数据一一对应。1.2.2多视影像联合平差在进行多视影像联合平差时,需考虑几何变形和遮挡等问题带来的误差影响。POS 系统在曝光时刻获取初始值,该初始值是倾斜影像的 6 个外方位元素;先后采用金字塔匹配法和光束法对区域网内的特征点进行平差。通过以上两步得到效果较好的多视影像匹配结果,并综合考虑 POS 数据和像控点坐标,联合求解多视影
9、像的平差方程,确定平差结果的精度在合理范围内。1.2.3实景三维建模将所采集的倾斜影像数据进行匀光、格式转换等数据预处理,再将影像导入建模软件,自动生成具有真实纹理的三维模型。生成的模型有两种,分别为单体化建模和匹配建模1。2无人机倾斜摄影三维模型的构建倾斜三维模型的构建包括外业数据的获取、内业数据的预处理、空三加密及三维重建等,具体流程如图 1 所示。2.1外业数据的获取2.1.1倾斜影像获取倾斜影像是利用无人机搭载具有固定角度的倾斜相机拍摄获取的,采集完成后,需对摄影数据进行分析和整理,主要成果包括倾斜影像和 POS 数据。本实验采用华测 P 550无人机飞行平台。2.1.2航线的布设由于
10、受地形、空域管制及天气等因素的影响,该研究区域实际有效飞行架次为 1 个架次,共设置 8 条航带,影像清晰度和拼接度较好。该航线采用南北直线飞行,航线平行于图廓线,如图 2 所示。2.1.3像控点的布设和施测本次像控点测量采取 GPSRTK 测量模式,量测的 4个像控点的大地坐标如表 1 所示。2.2内业数据的处理实验采用 Bentley ContextCapture 全自动三维建模软件,其空三的优化模式是基于空间直角坐标系。对研究区域的数据进行数据导入、检测影像和参数、控制点量测和提交三维重建等操作。2.2.1导入数据导入照片组、POS 数据和控制点数据,并设置相机像元、像幅和焦距等信息。为
11、了获得最佳的性能和效果,导入的影像需出自同一相机,并且内定向完全一致,同时把它们作为一个影像组。2.2.2检查影像和参数空中三角测量航片缺失大多是由于航片及 POS 数据存在质量问题,匹配时出现错误,从而导致建模后期存在空洞和模型变形。因此,进入 3D 视角后,首先需要检查影像每个方向排列是否正确,即各个曝光点的影像信息和相邻航带侧视影像的飞行方向是否一致;其次要修改相机文件参数,确保影像和相机旋转参数布置是相同的;最后执行空中三角测量来计算影像的位置和姿态参数,找回丢失的航片2。2.2.3控制点量测在进行空三加密之前,先查看是否有测区控制点。如果有的话,单击影像依次刺点。控制点量测通常在自由
12、网空三后进行,如果控制网空三精度不满足航测规范要求,再进行控制点调整,调整完控制点迭代一次控制网平差直至精度满足规范要求。本次实验采取先对控制点进行转刺,每个镜头图 1倾斜摄影三维模型的构建流程图 2航线设计表 1像控点的大地坐标单位:m序号1234点号26-2027-1928-1829-17X*71.693*99.163*35.522*95.803Y*28.373*01.38 8*75.897*46.503Z30.8*30.6*30.4*30.6*赵永康:基于无人机倾斜摄影的三维模型构建及其优化研究71经纬天地Survey World2023年第3期No.32023的影像量测 35 个控制点
13、。2.2.4提交三维重建在完成倾斜影像空中三角测量的基础上,首先建立新的三维重建任务,在 ContextCapture 软件中设置参数,选择坐标系,选取 Regular planar grid 对建模区域进行划分,设定瓦片大小的值,确定划分的瓦片个数。最后提交新的生产,定义生产模型范围,得到三维模型成果。3无人机倾斜摄影单体化建模与精细化3.1单体化建模的方法3.1.1矢量切割单体化矢量切割单体化是利用相应的矢量平面如建筑物、道路、树木等,对倾斜摄影模型进行切割,并物理划分连续的三角面片网来实现单体化。该方法可物理分离连续的模型,分割后该模型可以被管理和操作。然而,由于倾斜摄影数据量大,切割耗
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