倾斜摄影测量三维模型构建与模型优化关键技术研究.pdf
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1、6月倾斜摄影测量三维模型构建与模型优化关键技术研究袁坤(黔南地质矿业有限责任公司,贵州 黔南 558000)摘要:基于倾斜摄影测量构建实景三维模型的方法已被广泛应用,利用其效率高、成本低的优势,在数字城市建设、信息化工厂、地质监测等多个领域均取得较好成果。但在部分情况下无人机影像构建的三维模型仍存在模型畸变、飞面、凸包、纹理缺失、局部破洞、纹理清晰度较低等问题。为解决此类问题,对三维模型构建与优化关键技术进行了研究、并对经过优化处理的三维模型进行精度分析。结果显示:经优化处理后的三维模型,局部精度得到明显提升,证明了该方法的可行性。关键词:倾斜摄影测量;三维模型;模型优化;精度分析中图分类号:
2、P237文献标识码:A文章编号:2095-7319(2023)03-0079-04Research on the key technologies for building and optimizing 3D modelsin oblique photogrammetryYUAN Kun(Qiannan Geological and Mining Co.,Ltd.,Qiannan 558000,China)Abstract:The method of constructing realistic 3D models based on oblique photogrammetry has bee
3、n widely used,due to itsadvantages of high efficiency and low cost.It has achieved good results in various fields such as digital city construction,informationchemical plants,geological monitoring,etc.However,in some cases,3D models constructed on the base of drone images still havesuch problems as
4、3D model distortion,flying surfaces,convex hulls,missing textures,local holes,and low texture clarity and so on.To solve these problems,key technologies for building and optimizing 3D models were studied and precision analysis was conductedon the optimized 3D models.The results show that the partial
5、 accuracy of the optimized 3D models has been significantly improvedand meanwhile it proves the feasibility of this method.Key words:oblique photogrammetry;3D model;model optimization;precision analysis0引言传统人工三维建模精度优势明显,但存在效率低、人工成本高、周期长等问题,无法应用于大范围三维建模1;基于激光扫描技术的点云三维建模能实现模型点云数据快速获取2,但数据量庞大、数据噪声较多,在生
6、产模型过程中无法兼顾数据质量和生产效率,模型纹理精度低,普适性较差3。相比于其他三维模型构建方法,基于无人机低空倾斜摄影测量技术的三维模型构建,可快速获取原始影像数据,降低外业成本,同时针对被建模物体进行多视角影像获取,实现实景三维模型纹理充分还原,解决了被建模物体侧面纹理无法获取的缺陷4。无人机机动性较好,可适用于地形多变的复杂环境,搭载多种不同类型的多镜头航摄仪,实现大范围、多视角影像数据采集,现阶段基于倾斜摄影测量的三维模型构建已被广泛应用在不同领域,成为三维地理空间信息数据采集生产的重要技术手段5。近年来,倾斜摄影测量三维模型构建技术在被广泛应用于各领域,虽取得了较好的效果,却仍存在一
7、系列难题,如在无人机倾斜技术原始影像获取过程中,易受到天气状况、光照强度等因素的影响,致使三维影像出现不同类型的畸变、水面空洞、复杂建筑结构镂空、结构扭曲变形、纹理模糊等问题。为实现三维模型高精度获取,保证实景三维模型纹理充分还原,本文论述了实景三维模型优化技术,并进行了实验验证。收稿日期:2022-04-12作者简介:袁坤(1994),男,贵州瓮安人,本科,助理工程师,主要从事测绘工程等方面工作。E-mail:袁坤:倾斜摄影测量三维模型构建与模型优化关键技术研究79经纬天地Survey World2023年第3期No.320231无人机倾斜摄影测量1.1无人机倾斜摄影测量技术基本原理无人机倾
8、斜摄影测量系统包括无人飞行器平台、导航和姿态控制系统、数据传输平台、地面控制平台、任务设备、综合保障系统 6 部分。无人机倾斜摄影测量通常是由无人机飞行平台搭载多镜头相机(一般为五镜头摄像机)通过多个镜头从垂直方向及 4 个倾斜方向同时采集地面原始影像。在采集影像的同时,无人机的导航和姿态控制系统还会对影像位置、飞行航高、飞行速度、姿态进行实时记录传输,能够充分获取并还原地面影像多角度影像纹理。1.2多视角影像密集匹配利用无人机倾斜摄影测量技术获取的原始影像包括垂直方向和倾斜方向的影像,分别被称为正片和斜片。倾斜摄影测量获取的原始影像数据需要通过多视角影像密集匹配技术,实现地面建筑物的三维重建
9、。多视角影像密集匹配技术通常包括变换域的多视角影像匹配、灰度模型的多视角影像匹配和基于特征点的多视角影像匹配三种方式。目前,应用较多的是灰度模型的多视角影像匹配和基于特征的多视角影像匹配。基于灰度模型的匹配技术主要通过分析影像的灰度分布情况进行多视角影像匹配,该方法在建筑物密集程度大或低反差区域增多的情况下,容易出现误差,不够可靠。因此,无法适用于比较复杂的建筑物。基于特征点的多视角影像密集匹配技术则是通过机器视觉原理对影像特征进行描述并提取匹配。在被测区阴影较大或被遮挡较多时,基于特征点的方法能够清晰地展现特征,适用范围较广。需要注意的是,在多视角影像密集匹配技术中,同名点的提取是非常关键的
10、一步。该步骤的成功与否直接影响到模型的重建效果和建模精度。因此,采用合适的技术和方法,并结合实际情况和需求,进行合理调整和优化显得尤为重要。基于图像特征点的多视角影像匹配技术算法分为四步;首先需利用算法检测特征点,利用高斯差分函数进行卷积构建尺度空间算法,在不同的解析度下组成图像的尺度空间;其次确定关键点位置,通过三维二次函数结合关键点周围的每个像素梯度计算关键点的位置和尺度;再次,通过关键点梯度值运算并进行直方图数据统计,统计关键点领域内像素梯度和方向,以直方图的最大值作为主方向,以次于最大值峰值的 80%作为辅助方向,进行位置、方向、尺度信息分析,通过主方向和辅助方向的共同作用,提高影像匹
11、配的鲁棒性;最后,对关键点进行特征描述,以关键点为中心位置,绘制 88 窗口,并在关键点所存在的尺度空间内,绘制44 窗口,分别计算东、西、南、北、东南、西北、东北、西南 8个方向的梯度信息,以此作为描述关键点的特征信息。如图1 所示,其中左图为关键点周围区域的图像梯度,右图为关键点的描述因子。2测区实验2.1测区概况凤山镇,隶属于贵州省黔南布依族苗族自治州福泉市,地处福泉市东南部,东抵兴隆乡,南邻黔东南苗族侗族自治州麻江县碧波乡,西连马场坪街道,北接藜山乡,距城区约24 km,区域总面积 113.45 km2。凤山镇地处长江流域,地形主要为山地,海拔高度为 680 m1222 m。共拥有耕地
12、19.78 km2。凤山镇地处 306 省道和炉碧城市快速干道、麻兴州际公路的交会处。该地区交通便利,福泉火车站(铁路物流园)及瓮马高速公路甘巴哨匝道距离凤山镇约 7 km,福泉经济开发区凤山园区距离贵州省凯里西站(铁路货运物流园)仅 10 km。2.2技术路线基于倾斜摄影测量技术的三维模型构建技术流程如图2 所示。(1)收集有关测区的历史资料、地理信息、地形地貌等相关数据,以便了解测区的基本情况和实际需求。(2)进行技术方案设计,包括像控点布设、测量以及数据编辑后刺点。对收集到的资料进行整理和分析,制定测绘方案,并确定需要收集的数据类型和质量要求。(3)通过航线航高设计获取影像数据并进行预处
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