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基于無人機(jī)影像的三維模型構(gòu)建技術(shù)

2013-12-06 08:42:36李隆方張著豪鄧曉麗
測繪工程 2013年4期
關(guān)鍵詞:低空高程建筑物

李隆方,張著豪,鄧曉麗,馬 磊

(1.德陽市勘察測繪設(shè)計(jì)院,四川 德陽 618000;2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210093)

隨著城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)已不能滿足各部門日常工作需要,迫切需要更為全面的城市三維數(shù)據(jù)[1]。三維數(shù)據(jù)可視化已成為當(dāng)今城市基礎(chǔ)建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、交通和通訊等方面的重要環(huán)節(jié),是當(dāng)前數(shù)字城市的重要表現(xiàn)手段[2],也是當(dāng)今智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)施。由于四川盆地常年多云多雨,導(dǎo)致大部分衛(wèi)星影像被雨云遮擋,無法準(zhǔn)確觀測特定時(shí)期的特定地區(qū),而無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)具有很高的機(jī)動(dòng)性、靈活性和安全性,可獲取多角度、高分辨率影像,不受高度限制和陰云天氣影響,且系統(tǒng)成本及影像處理費(fèi)用較低[3]。

本文以四川德陽市為例,針對當(dāng)前城市三維模型構(gòu)建中的問題,提出了一種基于無人機(jī)影像的快速三維模型構(gòu)建技術(shù),并應(yīng)用于德陽市三維模型構(gòu)建。

1 3DCM的研究現(xiàn)狀

3DCM(三維城市模型)作為當(dāng)前城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容,是一項(xiàng)投資巨大、技術(shù)要求復(fù)雜的工程,其技術(shù)水平是影響三維城市模型建設(shè)與更新工作效率的重要制約因素。如何提高三維城市模型數(shù)據(jù)獲取的自動(dòng)化水平成為三維城市模型應(yīng)用的瓶頸問題[4]。當(dāng)前三維城市模型的數(shù)據(jù)源主要有遙感影像數(shù)據(jù)、近景數(shù)據(jù)和GIS導(dǎo)出數(shù)據(jù)。不同數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的三維城市建模方法,主要包括:

1)基于二維GIS的三維城市建模方法。通過現(xiàn)有GIS成果庫,利用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM,以及豐富的地物要素快速從二維城市GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維城市模型[5]。

2)基于激光掃描的三維城市建模方法。這種方法主要通過機(jī)載激光雷達(dá)采集地面點(diǎn)坐標(biāo),通過數(shù)據(jù)后處理分離地面點(diǎn)與地物點(diǎn)重構(gòu)地面三維模型,優(yōu)點(diǎn)在于不用采集過多控制點(diǎn),高程精度較高,但對地面紋理獲取不足。

3)基于攝影測量的三維城市建模方法,它使得同時(shí)獲取大量復(fù)雜的三維城市模型的幾何信息和紋理信息的自動(dòng)化成為可能,特別隨著近年來高分辨率遙感技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字?jǐn)z影測量被普遍認(rèn)為是當(dāng)前最適用于獲取大范圍高精度三維城市模型數(shù)據(jù)的主要手段[6]。目前,基于衛(wèi)星和航空影像數(shù)據(jù),利用傳統(tǒng)全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)(LPS、VirtuoZo等)的城市建模技術(shù)已經(jīng)成熟,本文基于此思路,針對無人機(jī)影像數(shù)據(jù)提出了一套基于低空影像數(shù)據(jù)的城市三維模型的構(gòu)建方法。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 低空影像采集設(shè)計(jì)方案

1)德陽市是中國重大技術(shù)裝備制造業(yè)基地,位于四川盆地成都平原東北邊緣,研究區(qū)域包括市區(qū)全域以及近郊部分區(qū)域近400km2范圍,其中1/3為丘陵,2/3為平原?;跓o人機(jī)低空影像采集平臺(見圖1),搭載Canon EOS 5DMark II相機(jī),設(shè)計(jì)航高750m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為60%,相機(jī)焦距24.598 8mm,單張影像像素?cái)?shù)5 616×3 744,像素尺寸0.006 4mm×0.006 4mm。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺

2)控制點(diǎn)采集。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),無人機(jī)控制點(diǎn)布設(shè)原則一般以航帶內(nèi)5張影像間隔一個(gè)控制點(diǎn)為宜,航帶間需隔一條航帶布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn),并在其中均勻布設(shè)檢查點(diǎn),如圖2所示。像控點(diǎn)應(yīng)選取影像位置清晰、易于判別,與周圍地物顏色反差較大,特征明顯的地物點(diǎn),選點(diǎn)均以地面、較堅(jiān)固、且不易改變的目標(biāo)為主。

圖2 部分測區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)示例

2.2 影像處理

相對傳統(tǒng)大飛機(jī)影像數(shù)據(jù)采集平臺,無人機(jī)平臺飛行姿態(tài)更加不平穩(wěn),受風(fēng)速、風(fēng)向等影響更大,傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)處理無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的限制較多,為了提高數(shù)據(jù)處理速度與精度,選擇DPGRID低空影像數(shù)據(jù)處理平臺作為該項(xiàng)目的數(shù)字高程模型與數(shù)字正攝影像生產(chǎn)平臺。該平臺采用改進(jìn)的影像匹配算法,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)空三、DEM與正射影像自動(dòng)生成,自動(dòng)化程度大大提高。主要處理飛艇、無人直升機(jī)、無人固定翼飛機(jī)等低空遙感平臺獲取的低空遙感影像。其主要處理流程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)以上流程,首先通過POS數(shù)據(jù)選取航帶內(nèi)影像,剔除非航帶內(nèi)影像(無人機(jī)上升過程中拍攝的影像),利用DPGRID低空模塊對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變糾正、排列航帶、旋轉(zhuǎn)影像等,使得影像數(shù)據(jù)按順序排列;隨后基于該模塊進(jìn)行影像自動(dòng)匹配、提取特征點(diǎn);添加外業(yè)采集的控制點(diǎn),進(jìn)行空三加密,反復(fù)平差,直到達(dá)到無人機(jī)內(nèi)業(yè)精度要求為止[7]。最后進(jìn)行勻光勻色、影像鑲嵌等后處理,生成DEM和DOM。特別是,無人機(jī)影像飛行高度低,受地形起伏影響明顯。在城區(qū),一般房高都在6層以上,且隨著城市發(fā)展,高層建筑(一般20層以上)不斷增加,這種影響越加嚴(yán)重。對于飛行高度750m(甚至更低)的無人機(jī)影像,直接生產(chǎn)的城區(qū)DEM是不準(zhǔn)確的,不能正確反映地面高程,故需大量的DEM編輯工作,如圖4所示。

圖4 DEM與DOM編輯

3 城市三維模型構(gòu)建

圖5展示了通過攝影測量同時(shí)獲取的DEM和DOM構(gòu)建三維模型和采用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM與攝影測量生產(chǎn)的DOM疊合構(gòu)建三維模型,并與相關(guān)專題數(shù)據(jù)合成的技術(shù)流程。在德陽市城區(qū)三維建模實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于擁有較完善數(shù)字德陽地形成果數(shù)據(jù),故首先考慮利用地形數(shù)據(jù)內(nèi)插DEM,與無人機(jī)DOM疊合構(gòu)建三維地形模型,但是二者坐標(biāo)系并不統(tǒng)一(前者為西安80坐標(biāo)系,后者為德陽地方坐標(biāo)系),坐標(biāo)匹配較困難。

圖5 基于無人機(jī)影像的城市三維集成技術(shù)流程

在DOM生產(chǎn)過程中,首先需要生產(chǎn)DEM,二者坐標(biāo)系統(tǒng)一,所以采用攝影測量獲取的DEM與DOM構(gòu)建城市三維模型是較快捷的方法。

這里,我們選擇Skyline TerraSuit來搭建和展示整個(gè)三維場景。它具有靈活、簡便的建模工具,穩(wěn)定的軟件功能以及組件化的軟件體系,是獨(dú)立于硬件之外,多平臺、多功能的一套軟件系統(tǒng)。它包含3類產(chǎn)品:TerraBuilder,創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)庫;TerraExplorer Pro,添加場景;TerraGate,允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三維數(shù)據(jù)[8-9]。步驟如下:

1)三維地表模型構(gòu)建。三維地表模型主要包括DEM和DOM,通過在TerraBuilder中疊合DEM與DOM,并生成Skyline自帶的三維數(shù)據(jù)格式(mpt),它支持三維數(shù)據(jù)的無級縮放,能夠高效地展示三維數(shù)據(jù)模型。如圖6所示。

圖6 基于Skyline的三維模型成果示例

2)三維建筑物模型建立。這里有兩種選擇,一是通過建模軟件(3DMAX、SketchUp)逐個(gè)構(gòu)建地上建筑物模型,然后分批在TerraExplorer Pro平臺中導(dǎo)入建成建筑物模型。另一種即根據(jù)影像數(shù)據(jù),在VirtuoZo平臺下通過立體測圖人工測繪地上建筑物,并導(dǎo)出模型,最終導(dǎo)入TerraExplorer Pro平臺。前者多用于地上建筑物等的精細(xì)建模,例如城市地標(biāo)建筑物,但是它的成本較高,不利于批量生產(chǎn);后者適用于快速批量生產(chǎn),且模型精度較高,但是對于建筑物的紋理表現(xiàn)不如后者清晰。對于德陽市三維模型構(gòu)建,選擇兩者結(jié)合的方式,部分精細(xì)建模,批量生產(chǎn)城市地上建筑物模型,搭建城市三維模型。

圖7、圖8展示了利用VirtuoZoNT3.75批量生產(chǎn)建筑物矢量圖形,并在此基礎(chǔ)上批量生產(chǎn)城市建筑物三維模型的過程。其基本原理為,批量采集屋頂高程并生成建筑物頂矢量圖形,計(jì)算其與DEM的高程差,從而生成建筑物的立體模型,并采集影像上該建筑物的側(cè)面紋理進(jìn)行側(cè)面貼圖。

圖7 建筑物矢量圖

圖8 建筑物三維圖

3)集成專題數(shù)據(jù)。通過TerraExplorer Pro平臺不僅可以高速瀏覽海量MPT格式的三維數(shù)據(jù)(見圖9),也可以在城市三維模型上疊加相關(guān)專題矢量數(shù)據(jù),例如,加載城市規(guī)劃道路紅線,用于城市拆遷分析;添加規(guī)劃方案,對比方案與周邊地物是否協(xié)調(diào);構(gòu)建城市地下三維管網(wǎng),立體展示城市地下狀態(tài)。

圖9 三維模型集成展示

4)三維集成與發(fā)布。為了有效并安全地利用三維數(shù)據(jù),搭建分布式的數(shù)據(jù)集成環(huán)境是必要的,其關(guān)鍵技術(shù)是三維數(shù)據(jù)的共享。Terrabuilder提供了海量三維數(shù)據(jù)的發(fā)布環(huán)境,其基本原理如圖10所示。

圖10 三維模型發(fā)布流程

4 DEM誤差分析

為研究無人機(jī)影像生成的DEM的可用性,這里截取全區(qū)域中丘陵區(qū)域18km2的無人機(jī)DEM與通過地形圖生成的DEM作對比分析,其網(wǎng)格數(shù)為801×1201,其中無人機(jī)DEM高程范圍為478~654m,如圖11(b)所示;地形圖生成的參照DEM高程范圍為481~653m,如圖11(a)所示。首先將兩幅tif格式的DEM柵格數(shù)據(jù)輸出為txt格式文件,基于Matlab7.0實(shí)現(xiàn)兩者對應(yīng)像元高程差值分析,生成一幅高程差值圖,其最小差值為-17.2m,最大差值為16m,均值為1.6341m,標(biāo)準(zhǔn)差為2.815 4m,如圖11(c)所示。淺色區(qū)域高程值大,深色區(qū)域高程值小。其統(tǒng)計(jì)直方圖如圖11(d)所示。

圖11 DEM差值統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

1)利用0.2m無人機(jī)高分辨率影像數(shù)據(jù),基于DPGRID低空模塊生產(chǎn)德陽市400km2DOM與DEM,采用Skyline平臺集成DOM與DEM,獲取了該區(qū)域地表三維模型。為基于無人機(jī)快速建立三維地表模型積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2)在VirtuoZoNT3.75和Dibud平臺支持下,基于多張傾斜攝影的無人機(jī)影像自動(dòng)提取建筑物表面紋理,從而避免大量的實(shí)地考察工作量,降低工作強(qiáng)度,提高作業(yè)效率,更重要的是實(shí)現(xiàn)建筑物三維重建的真實(shí)紋理。

3)分析典型丘陵地區(qū),比較無人機(jī)生產(chǎn)的DEM和參考DEM的誤差情況,為讀者利用無人機(jī)DEM建立三維地表模型提供可靠性參考。

[1]羅敏.基于VrMap與Sketch up的城市三維模型構(gòu)建[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,37(3):353-356.

[2]史文中,曹輝,張劍清.基于高分辨率影像的城市三維建模[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2004,29(9):783-787.

[3]何磊,苗放,唐姝婭,等.無人機(jī)遙感圖像及其三維可視化在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2010,32(3):206-212.

[4]朱慶,林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)—虛擬城市環(huán)境中的三維城市模型初探[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.

[5]譚仁春.三維城市模型的研究現(xiàn)狀綜述[J].城市勘測,2007(3):42-46.

[6]Brenner C,Haala N.Automated Reconstruction of 3D City Models[J].In 3DSynthetic Environment Reconstruction(Edited by:Abdelguerfi M.),KluwerAcademic Publishers Norwell,2001:75-101.

[7]中測(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司.CH/Z_3003-2010,低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范[S].北京:測繪出版社,2010.

[8]唐楨,張新長,曹凱濱.基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].測繪通報(bào),2010(5):10-12.

[9]鄧潔,夏春林,王潤芳.基于Skyline Terrasuite的城市三維景觀的建立[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2008,23(5):529-532.

[10]雷添杰,李長春,何孝瑩.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(1):178-183

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