無人飛艇低空航測系統自動建模技術研究

引文格式： 潘寶玉，劉同文，蘇國中，等. 無人飛艇低空航測系統自動建模技術研究[J].測繪通報，2015(4)：75-77.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0115

無人飛艇低空航測系統自動建模技術研究

潘寶玉1，劉同文1，蘇國中2，張蘭1

(1. 山東省地質測繪院，山東 濟南 250002； 2. 中國測繪科學研究院，北京 100039)

Research on Automatic Modeling by Unmanned Airship

Low-altitude Aerial System

PAN Baoyu,LIU Tongwen,SU Guozhong,ZHANG Lan

摘要：探討了基于無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統的城市三維自動建模技術，實現了一次飛行同時獲取城市建筑物4個側面和頂面的紋理圖像，依據組合寬角影像自動提取建筑物高度信息和自動選擇最佳紋理圖像，基本達到了城市三維建模過程的自動化，大幅度提升了城市三維建模的效率，為智慧城市建設提供了一種全新的技術途徑。

關鍵詞：無人飛艇；組合寬角相機；高度獲取；紋理貼圖；三維模型

中圖分類號：P23

收稿日期：2014-05-13

作者簡介：潘寶玉(1957—)，男，教授級高級工程師，主要從事3S技術應用研究及測繪技術管理工作。E-mail：panbaoyu@126.com

一、引言

城市三維模型的構建是智慧城市的主要內容，智慧城市的建設需要真實的城市三維模型和紋理信息。目前，建設城市三維模型常用的數據源有固定軌道的衛星遙感影像、中高空航天航空影像、低空航攝影像以及車載三維激光掃描儀獲取的三維點云數據[1-3]。衛星遙感影像和中高空航空航天影像由于受空間攝影高度和姿態的限制，只能垂直或小角度拍攝，僅能獲得城市建筑物頂部紋理信息；車載三維激光掃描儀獲取的三維點云數據量巨大，在掃描過程中容易受到樹木等街景的遮擋并且不能獲取建筑物的頂部數據。上述兩種方法在城市建筑物的三維建模中存有一定的局限性。

近年來，隨著無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)的快速興起，無人機航攝系統已被廣泛用于城市建筑物的三維建模。然而，大多數無人機都是攜載一個相機或雙拼組合相機，飛行攝影效率不高，不能完全獲取建筑物側面的紋理信息[4]。本文主要介紹無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統，利用無人飛艇攝影測量系統的傾斜攝影方式，對城市建筑物進行多角度、低空攝影測量，獲取建筑物側面和頂部影像，實現建筑物高度信息的自動提取和最佳紋理圖像的自動選擇，實現經濟高效的城市三維建模生產模式。

二、基于四相機重疊影像自檢校的低空航測系統

本文提出的無人飛艇低空航測系統城市三維自動建模技術路線如圖1所示。

圖1　城市三維自動建模技術路線

1. 無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統

為了提高城市三維信息獲取的能力和效率，本研究采用近年發展起來的無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統。該系統主要由飛艇主體、四相機組合穩定平臺、燃料動力系統、飛行控制器、地面監控部分組成，是迄今為止城市上空最安全的飛行器，為常態化、高效采集城市三維信息提供了技術支撐。

組合寬角相機中4個相機A、B、C、D成對相向傾斜，A、C相機傾角為37.8°，B、D相機傾角為23.8°；A、C相機間距離為0.15m，B、D相機間距離為0.23m。如圖2所示。

圖2　無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統

2. 提高三維立體量測精度的四組合相機自檢校技術

相機檢校主要是利用高精度的控制點和共線方程，基于最小二乘平差獲取四相機之間的相對外方位元素[5-6]。本文通過采用林宗堅教授發明的運動自檢校模型，利用四組合相機成像重疊區域視差變化運動模型實現高精度自檢校。如圖3所示，利用四相機影像間5個重疊區(AB、AC、AD、BC和CD)內12個標準點位(圖中圓點表示)，基于影像匹配獲取的同名像點建立24個視差方程，其中有12個未知數。按照附有條件的間接平差法求解，即可實現組合相機系統的自檢校。

圖3　用于自檢校的影像重疊區及檢測點

由于無人飛艇在飛行過程中受風力、溫度和平臺運動的影響，組合相機間的相對空間關系是變化的，利用上述自檢校方法，每一次曝光獲取的單獨相機的組合影像都完成一次自檢校。

三、建筑物高度信息自動提取

利用組合寬角成像技術獲取寬角低空影像，在低空航測MAP-ATM軟件的支持下完成寬角影像的“空三加密”。試驗表明，依照大比例尺航攝飛行規范要求獲得的影像數據所形成的寬角立體模型高程精度在17cm以內[7-9]。在完成對寬角影像空間姿態高精度解算的條件下，采用CMP-MVS技術生成密集的DSM點云數據，再利用自動濾波和少量人工干預生成作業區域DEM模型。在獲得這兩類數據后，利用城市地籍數據或大比例尺地形圖上的建筑物地基數據用比對自動搜索技術自動獲得建筑物高度信息。最后，用原始影像結合DSM數據綜合分析的辦法自動提取建筑物模型(如圖4所示)。相對于常規三維建模方式，省去了外業調查和大量人工量測建筑物高度的工作量，使得建模效率大幅度提升。

圖4　獲取建筑物高度示意圖

四、最佳紋理圖像選擇

真實的紋理是構建建筑物精細三維模型所必需的。常規的城市三維建模方法一般是在實地用數碼相機拍攝建筑物的4面紋理照片，內業在Photoshop軟件中進行紋理照片的裁剪和處理，最后通過人工去貼每個建筑物的紋理照片，工作量十分龐大，工作效率極低。

無人飛艇載四組合寬角相機系統的4個相機傾斜角度超過20°，組合成像生成的寬角影像能解算相機的高精度6姿態數據，由于4個傾斜影像與寬角影像有嚴格的幾何關系模型，因此，通過寬角影像的姿態可以高精度求解傾斜影像的姿態，具有高精度姿態的傾斜影像為三維模型自動紋理映射和挑選提供了技術條件。由于三維建模的航攝飛行通常采用航向大于80%、旁向大于65%的影像重疊模式，因此一個建筑物側面影像可能存在于20~30幅影像之內，如果依靠人工挑選合適的紋理影像則工作量太大。為此，本研究利用建筑物表面法向方向100m消隱分析和建筑物側面在影像上分塊投影面積較大這兩個約束條件選擇1~3張最佳紋理影像。

四組合相機影像能夠清晰地獲取城市建筑物側面和頂面的影像紋理。如圖5所示，采用基于組合相機多視定向影像為建筑物幾何模型添加表面紋理的方法，為建筑物幾何模型中的每個墻面從組合相機多視影像中選擇一幅質量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源，以實現建筑物紋理圖像的最佳選擇。每個建筑物都會自動選取最佳的4個側面紋理圖像和一個頂部紋理圖像。

圖5　建筑物5個方向的紋理圖像

五、三維模型自動構建

從多張有同一建筑物的原始影像中選擇出最優的一張作為紋理裁切的影像后，需要對紋理影像作幾何糾正，得到建筑物各面的矩形紋理圖片。紋理的像素尺寸是2的N次方，貼圖長寬比盡量為1∶1或1∶2，如果貼圖實在太長或太寬，則將模型面進行分割，分別貼圖。建筑物紋理裁切的效果如圖6所示。

圖6　裁切好的建筑物紋理圖像

根據自動獲取的建筑物高度信息進行拉伸生成白模，再將裁切好的紋理圖像映射到對應的建筑物墻面上，從而獲得紋理屬性的建筑物三維模型，如圖7所示。

圖7　建筑物三維模型

六、應用示例

為驗證無人飛艇載四組合寬角相機系統自動建模的可靠性，本文以運城市城區23km2為低空攝影測量試驗區域，具體試驗情況見表1、表2。

表1　相機和航攝參數

表2　運城市空三加密試驗分析　m

試驗數據表明，應用無人飛艇載四組合寬角相機低空攝影測量系統進行城市建筑物三維建模，能夠滿足1∶1000大比例尺地形圖的精度要求[10]，建立的運城市區三維模型效果如圖8所示。

圖8　試驗區域三維效果圖

本次試驗不需要人員去現場進行建筑物高度調查，也不需要實地拍攝建筑物每個立面的紋理照片，顯著提升了工作效率。運城市城區每平方千米城市三維建模工作量分析對比數據見表3。

表3　兩種建模方式對比表

七、結束語

無人飛艇載四組合寬角相機低空航測系統能夠實現一次飛行獲取城市建筑物4個側面和頂面的紋理，基于四相機重疊影像的自檢校完成影像拼接，實現了建筑物高度的自動獲取和紋理的最佳選擇與自動裁切，使建模效率得到大幅度提升。試驗結果表明，城市三維建模精度能夠滿足1∶1000大比例尺測圖的精度要求，為智慧城市建設提供了一種新的技術手段。因此，無人飛艇低空航測系統自動建模必將有廣闊的應用前景。

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