白 陽，萬魯河

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

傳統(tǒng)的三維模型的建立多是結(jié)合遙感影像或者照片，需要大量的人工干預(yù)，并且與實際場景相差較大，欠缺真實感，近年來傾斜攝影技術(shù)發(fā)展迅速，基于這項技術(shù)的實景三維模型成果因其真實性，高精度等優(yōu)勢，正在被各個行業(yè)所應(yīng)用，如智慧城市建設(shè)，城市規(guī)劃建設(shè)等.但是對于實景三維建模，行業(yè)內(nèi)并無一種統(tǒng)一的構(gòu)建方法[1].該文基于Photomesh處理系統(tǒng)，利用DM-150無人機搭載DM5-2010傾斜相機獲取影像數(shù)據(jù)，利用傾斜影像空三加密技術(shù)等在少量野外控制點，人工干預(yù)少，進行傾斜攝影實景三維建模的研究，并提出了實景三維精細化方法.

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 無人機技術(shù)

通過無線電遙控設(shè)備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控的不載人飛行器，包擴固定翼，多旋翼，飛艇，直升機等多個機種.

無人機具有機動性強，快速，對起降場地?zé)o要求，經(jīng)濟方便的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)簡單，機體重量輕，使用成本低，數(shù)字化和智能化程度高，應(yīng)用范圍與領(lǐng)域廣闊，在快速獲取國土資源，自然環(huán)境，應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)勢數(shù)據(jù)集測繪領(lǐng)域有著突出的效率和優(yōu)勢[2].

1.2 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是指在同一飛行平臺下搭載傾斜相機，在同一曝光點多角度獲取相同地物傾斜影像，獲取豐富的地物信息，可從多角度分析地物，彌補了傳統(tǒng)正射影像只能從垂直方向分析地物的缺陷，能夠獲取建筑物的側(cè)面紋理信息[3].目前傾斜攝影應(yīng)用最多的是利用傾斜影像進行實景三維建模，大大的提高了場景真實度與建模精度，并且建模效率相對于傳統(tǒng)手工建模更是大大的提高.

1.3 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)

目前國內(nèi)應(yīng)用較多，比較成熟的傾斜攝影測量系統(tǒng)采用的是5拼傾斜相機[4].指在無人機平臺上搭載1個垂直地面和4個傾斜角度的相機，在每個曝光點位置上，從5個不同角度拍攝同一地物目標，從而獲取地物的高分辨率的影像，如圖1、圖2所示.

圖1 DM5-2010五拼傾斜相機圖

圖2 影像獲取示意圖

1.4 無人機傾斜攝影測量技術(shù)特點

(1)無人機平臺下的傾斜攝影，可以低成本，高機動性，效率的獲取傾斜影像.

(2)一次飛行獲取可獲取的傾斜影像可成果用于后期應(yīng)用，例如DOM、DSM、DEM、DLG、實景三維大場景建模等.

(3)彌補了以往正射影像只能垂直分析的缺陷，制作的帶有坐標與高程信息的實景三維模型，可以360°分析地物，并在二次開發(fā)軟件中可以進行房屋高度量測，坡度坡向分析等.

(4)通過傾斜影像制作而成的三維數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量小，并且支持多種格式快速的相互轉(zhuǎn)換，為后期應(yīng)用于二次開發(fā)提供了便利.

2 傾斜攝影三維關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實景三維模型構(gòu)建流程

Photomesh處理系統(tǒng)基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)實景三維模型快速構(gòu)建技術(shù)流程如圖3所示.

圖3 傾斜攝影三維建模流程圖

①原始航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理，檢查數(shù)據(jù)的完整性以及影像質(zhì)量可以用于三維建模.②結(jié)合傾斜影像初始粗略的外方位元素，進行空中三角測量，獲得傾斜影像的高精度外方位元素，然后利用空三解算后的精確地外方位元素(Omega、Phi、Kappa)進行影像自動匹配，生成高質(zhì)量的點云模型，進而利用點云模型構(gòu)建矢量TIN模型.③選擇最佳紋理信息對由點云模型構(gòu)建的TIN模型進行自動紋理映射.④三維模型精細化修改.⑤輸出實景三維大場景成果.

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

檢查原始影像的重疊度是否滿足航攝規(guī)范要求，影像旋偏角，俯仰角等是否滿足攝影測量規(guī)范要求.原始影像質(zhì)量，有無陰影，色彩是否鮮明，如果影像色彩較差，可以進行勻色處理.從原始影像中整理出針對試驗測區(qū)有效部分的影像，刪除無人機轉(zhuǎn)彎處的影像，整理原始Pos數(shù)據(jù)，建立原始影像名稱與Pos點名稱一一對應(yīng)的關(guān)系，并建立Photomesh處理系統(tǒng)所支持的EO表(固定格式的EXCEL表).

2.3 傾斜影像空中三角測量

空中三角測量(簡稱空三)即利用多張連續(xù)高重疊度的影像建立光學(xué)模型，在求得加密點的高程和平面位置[5].傾斜空三不同于傳統(tǒng)正射影像的空三，除了下視影像POS外，還需要其它角度的影像的POS數(shù)據(jù)，所以傳統(tǒng)空三算法并不適用于傾斜空三.無人機導(dǎo)航系統(tǒng)只能獲取下視鏡頭的POS數(shù)據(jù)，所以只能用此POS數(shù)據(jù)用作為傾斜影像的初始外方位元素，通過影像的同名點匹配、自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的匹配結(jié)果，結(jié)合控制點，反復(fù)解算后得到滿足精度要求的空三成果. 由于傾斜影像航拍時，是對同一地物進行多角度，高覆蓋率的拍攝，在空中三角測量匹配連接點時，會產(chǎn)生大量的同名點，如果將測區(qū)所有影像作為一個空中三角測量區(qū)域網(wǎng)進行解算，在匹配連接點以及誤差調(diào)整上會花費大量的時間.Photomesh系統(tǒng)為了提高連接點匹配效率，精度，以及后期模型制作的效率，支持基于局域網(wǎng)內(nèi)的多機多節(jié)點并行處理.可以將大量數(shù)據(jù)化繁為減，從而提高生產(chǎn)效率.在實際生產(chǎn)中在Photomesh平臺下空中三角測量可以分為以下幾步：①根據(jù)航攝區(qū)域以及航攝數(shù)據(jù)量的大小，可以將整個空中三角測量大區(qū)域網(wǎng)分成若干個子區(qū)域網(wǎng)，每個子區(qū)域網(wǎng)利用Photomesh系統(tǒng)多機多節(jié)點的系統(tǒng)特點，進行獨立的連接點匹配，平差解算，誤差點剔除等操作，構(gòu)建出精度符合規(guī)范的子區(qū)域網(wǎng).②將外業(yè)控制點與檢查點引到解算后的子區(qū)域網(wǎng)中，并控制點用裸眼立體的方式將其加在正確的位置，達到提高平面精度與高程精度的效果.③將加過外業(yè)控制點后的所有字區(qū)域網(wǎng)重新進行區(qū)域網(wǎng)平差解算，將整個區(qū)域網(wǎng)定義所需要的坐標系下.④將所有子區(qū)域網(wǎng)進行合并，構(gòu)建成一個連接點多角度，物影像覆蓋率高，中誤差低于規(guī)范值的精度高的大區(qū)域網(wǎng).⑤提交空中三角測量成果并將經(jīng)過空中三角測量解算后的精確地外方位元素，用于后續(xù)實景三維建模.子區(qū)域網(wǎng)和子區(qū)域網(wǎng)合并后有效空三的覆蓋率如圖4、圖5所示.

圖4 子區(qū)域網(wǎng)

圖5 子區(qū)域網(wǎng)合并后

2.4 多視角影像密集匹配

影像匹配的目的是快速準確的獲取多視像上同名點坐標.Photomesh系統(tǒng)采用多基元 ，多視像密集匹配技術(shù)，利用多視影像的特征信息，快速準確的獲取多視影像的同名點坐標.

2.5 點云數(shù)據(jù)與TIN模型構(gòu)建

點云數(shù)據(jù)是指資料以點的形式記錄，每個點包含有三維坐標，有些數(shù)據(jù)還可能含有顏色信息[6].通過多視像密集匹配獲取的準確的同名點坐標，可利用Photomesh系統(tǒng)多核多節(jié)點同步計算，加快計算速度，快速生成高密度高精度的三維點云模型.三維點云模型數(shù)據(jù)量較大，需要進行切割，減小數(shù)據(jù)量以便于加快運算速度，并對切塊的點云數(shù)據(jù)進行不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建(Triangulated irregular Network)，簡稱三角網(wǎng).通常是將點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不同級別的LOD數(shù)據(jù)(Levels of detail，LOD)下的三角網(wǎng)模型，經(jīng)過優(yōu)化，數(shù)據(jù)降維等方法，構(gòu)建TIN模型

2.6 紋理自動貼附

通過三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network)模型，Photomesh系統(tǒng)可以全自動實現(xiàn)TIN模型與紋理圖像的配準及紋理貼附.傾斜影像是角度影像，連續(xù)多張影像中存在同一地物，需要在其中選出最佳紋理進行映射.同樣利用Photomesh系統(tǒng)多機多節(jié)點并行的機制，可以快速準確的完成紋理貼附.

3 實例試驗及精度分析

3.1 實例驗證

為了驗證上述無人機傾斜攝影測量三維建模技術(shù)可行性及精度情況，選擇哈爾濱文昌太平污水處理廠周圍2平方公里作為試驗區(qū)域. 測區(qū)范圍如圖6所示.2017年9月采用數(shù)維翔圖公司的DM-150固定翼無人機搭載DM5-2010五拼相機，獲取了2平方公里傾斜影像數(shù)據(jù)，共獲取前，后，左，右和下視影像共6935(1387×5)張，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，下視鏡頭設(shè)計分辨率0.05m.并在改試驗布控了15個控制點以及10個檢查點用于精度驗證.試驗區(qū)范圍、POS數(shù)據(jù)，控制點數(shù)據(jù)、檢查點數(shù)據(jù)展點如圖6所示.

圖6 試驗區(qū)下視相機POS點 與控制點，檢查點分布圖

采用該文研究的技術(shù)流程和方法，先進行多視角傾斜影像空中三角測量，再進行多影像密集匹配點云進利用高密度點云模型構(gòu)建Tin模型，然后由TIN構(gòu)建立體白膜，最后進行自動紋理貼附并將缺陷模型精細化修補后獲取實景三維成果.如圖7、圖8、圖9、圖10所示.

圖7 高密度點云模型

圖8 TIN模型

圖9 白模數(shù)據(jù)

圖10 實景三維成果

3.2 模型精細化修改及更新

由于無人機傾斜攝影平臺在航攝過程中會受到氣候因素以及人為因素導(dǎo)致的傾斜相機姿態(tài)產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致了三維模型成果出現(xiàn)懸浮，破洞，紋理扭曲等缺陷.引起模型缺陷原因是多樣的，復(fù)雜的，具有不可避免的.但這些缺陷使得生產(chǎn)出的實景三維成果難以滿足應(yīng)用的需求，因此需要對實景三維成果進行精細化修理及更新.一般情況下三維模型需要改進的方面有以下幾點:

(1)結(jié)構(gòu)修復(fù)：對破洞進行修補，凸包抹平，刪除懸浮物.

(2)紋理修復(fù)：替換扭曲，色彩不均勻，清晰度不夠的紋理.

(3)細節(jié)整飾：由于無人機傾斜攝影三維建模對樹木及路燈等較細的物體建模不精細，往往出現(xiàn)模型不完整情況，需要對其整體修飾或者替換.三維模型修改后將其導(dǎo)回Photomesh系統(tǒng).如圖11、圖12所示.

圖11 模型修改前

圖12 模型修改后

3.3 精度分析

3.3.1 空三加密精度

進行空中三角測量區(qū)域網(wǎng)解算時，外業(yè)實際測得的15個控制點坐標全部參與定向.基于傾斜攝影的實景三維空三精度是計算外業(yè)實測的檢查點平面和高程坐標與區(qū)域網(wǎng)平差解算后得到的平面和高程坐標直接的差值，以此差值來表示精度情況.

由表1可以得出，空三加密點平面誤差最大為0.195m，高程誤差最大為0.226m，滿足傾斜三維建模規(guī)范中1∶1000比例尺平面誤差不超過0.3m，高程誤差不超過0.6m的要求.檢查點平面誤差最大為0.212，高程誤差最大為0.295m，滿足傾斜三維建模規(guī)范中1∶1000比例尺平面誤差不超過0.5m，高程誤差不超過0.4m的要求.

表1傾斜空三精度統(tǒng)計表

3.3.2 三維模型精度

目前在實景三維的精度檢查尚沒有統(tǒng)一的規(guī)范，一般從兩個方面進行檢查.

(1)模型精度：基于photomesh系統(tǒng)中Terraexplorer Pro三維瀏覽平臺，將實景三維成果固定到與原始影像分辨率相匹配的鳥瞰高度下，360°瀏覽三維模型，場景中地物的外形，色彩，紋理，空間位置與實際一致.三維大場景整體完整，色彩均勻，三維模型無破洞等.道路平整無凸凹.屋頂，陽臺，房檐等細節(jié)表現(xiàn)良好.樹木，路燈，電線桿，交通指示牌等，由于傾斜攝影技術(shù)瓶頸，較難提取完整的點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致模型表現(xiàn)較差，出現(xiàn)懸浮，出現(xiàn)模型間斷等問題,根據(jù)傾斜攝影技術(shù)規(guī)范，該試驗去模型成果介于2級到3級之間[7].

(2)幾何精度：幾何精度主要是將外業(yè)實際測得的15個檢查點的平面和高程坐標與在Terraexplorer Pro中讀取的同一位置平面和高程坐標進行比較，用其差值作為模型的幾何精度,見表2.

由表2可以得出，基于無人機平臺的傾斜攝影，利用Photomesh系統(tǒng)制作的實景三維模型，平面誤差最大為0.165，平面中誤差為0.181，高程誤差最大0.18m，高程中誤差0.053m.滿足傾斜攝影三維產(chǎn)品規(guī)范中1∶ 1000比例尺成果平面誤差不超過0.2m，高程中誤差不超過0.2m的要求[8].

表2模型精度統(tǒng)計表

4 結(jié)束語

從上述結(jié)論中可以得出，應(yīng)用Photomesh系統(tǒng)，經(jīng)過傾斜空中三角測量，多視像密集及匹配點云生成和紋理自動貼附，模型精細化修改等環(huán)節(jié)，在少量的人工干預(yù)下快速準確的，建立了哈爾濱文昌污水處理廠的真實，直觀的實景三維模型，并經(jīng)驗證精度滿足相關(guān)桂發(fā)要求.采用無人機平臺下傾斜攝影測量建立三維模型具有效率高，周期短，成本低，精度高，三維場景與真實場景幾乎相同.此技術(shù)在社會生活，數(shù)字城市，智慧城市，智慧交通和空間信息服務(wù)中扮演越來越重要的角色.

參 考 文 獻

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