無人機航拍圖像的室外場景三維重建技術研究

任志飛

摘要：隨著科學技術的發展，無人機航拍在我國得到了廣泛運用。無人機航拍技術的廣泛應用和發展為室外場景的三維建模提供了諸多便利，本文著重從無人機航拍在室外場景三維建模中的應用和室外場景三維重建過程中無人機航拍圖像的數據處理等方面來研究。

關鍵詞：無人機航拍圖像；室外場景；三維重建技術；研究

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.03.30

Abstract： With the development of science and technology， aerial drones has been widely used in our country. Unmanned aerial technology widespread application and development for outdoor scene of 3D modeling provides a lot of convenience， this article emphatically from aerial drones in the application of outdoor scene 3D modeling and outdoor scene of uav aerial images in the process of 3D reconstruction data processing， etc.

Key Words： UAV Aerial Images； the Outdoor Scene； 3D Reconstruction Technology； Research

三維重建指的是以無人機航拍圖像為依據，通過多種數據處理手段和計算機技術的應用在計算機中為現實生活中的室外場景建立的數學模型。無人機航拍圖像可以為人們提供詳細、真實的信息資料，微型航空遙感技術的應用為人們在科學和生活領域做出正確的決策奠定了基礎，促進了經濟和文化的快速發展。

1 無人機航拍圖像的室外場景三維重建技術的應用現狀研究

無人機以自身特有的優點迎合了人們對于航拍技術的需求，在多種領域得到了廣泛的應用，比如在觀看新聞視頻時我們經常能看到很多航拍的圖像，這些圖像大都采用無人機進行拍攝。無人機機身較小，對場地的要求比較低，相比于其他機型，成本也相對較低，因為不需要人員駕駛，也避免了高空工作可能帶來的危險。無人機航拍圖像的室外場景三維重建融多種新型技術為一體，比如航拍技術、航空遙感技術、影像傳輸技術、幾何視圖分析技術、數據處理技術等。室外場景的三維重建要求研究人員要具有完備的技能，而且由于數據處理過程中的計算量比較大，這項技術對于設備的要求也比較高，需要計算機設備具有強大的數據處理裝置。無人機航拍作為一種微型航空遙感技術為我國經濟文化的發展提供了有效的遙感技術服務手段。

城鎮的發展對于遙感航拍技術的需求也越來越大，由于城鄉地貌發生的巨大變化，人們需要依靠航拍技術提供正確、詳細的地理信息作為人們做出科學決策的依據。考古、環保、城鄉規劃、資源開發、國土安全監測、災害防治、新聞拍攝等領域需要通過遙感航拍技術進行室外場景的三維重建。比如2008年的汶川地震，無人機遙感航拍技術在這次地震救援過程中和災后重建過程中都起到了至關重要的作用，通過對無人機航拍圖像的分析，研究人員可以及時清晰的了解災情信息，指導地震救援工作，在后期的災后重建過程中，更是離不開無人機航拍技術的應用。科研人員可以根據航拍圖像進行三維建模制作出相應的地形圖對災后的重建做出規劃。無人機航拍圖像的室外場景三維建模是通過技術手段構建虛擬現實去表現客觀世界，無人機航拍圖像獲取便利、成本低廉，圖像信息豐富，為科研人員通過計算機構建虛擬場景提供了方便。隨著社會的發展，人們對于室外場景三維建模的了解也越來越深入，對于數據分析技術、信息處理技術的掌握也更加完善，基于無人機航拍圖像進行的室外場景三維建模在各大領域也得到了廣泛的應用。

2 關于無人機航拍圖像的室外場景三維重建技術基礎過程的的研究

第一，進行室外場景三維重建的首要是獲取精確詳細的圖像資料，這些圖像是指三維物體的二維圖像，人們可以充分利用微型遙感航拍技術的優勢，以無人機為平臺，通過遙感設備控制攝像機來獲取圖像。在圖像獲取的過程中，應盡量避免外界因素對圖像質量的影響，無人機在拍攝過程中的抖動極易影響圖像質量，使圖像序列產生大量與實際場景不相匹配的冗余信息，從而加大工作的難度，降低建模的精確度。無人機航拍雖然不需要工作人員駕駛，但是它仍需要相關工作人員進行遙控操作，如果操作失當，圖像信息的有用性將大打折扣。其次，相機本身的特性和天氣條件也都會影響航拍圖像的質量。前期對于物體的二維圖像的獲取是后續一系列工作的基礎，只有保證了圖像的質量，后續的特征提取、立體匹配以及數學模型的重建工作才有意義。

第二，無人機遙感設備參數值是室外場景三維數學模型建立的重要參數依據，研究人員必須要嚴格的把攝像機的參數與圖像進行匹配，在計算機中制作出精確的坐標圖。

第三，特征提取是無人機航拍圖像室外場景三維建模過程中的重要步驟，特征提取指通過計算機平臺來獲取圖像的信息，分析圖像中的點是否具有共同的圖像特征。在特征點的提取過程中，提取形式和提取策略非常重要，這些因素決定著航拍圖像與所提取的特征是否匹配，提取算法的選擇也非常重要，它決定著所提取的特征與圖像之間匹配的精確度。特征提取的關鍵是把圖像上的點根據其特征分成不同的集合。

第四，根據提取特征建立圖像之間的對應關系，進行精確的匹配，在匹配過程中要注意排除外界因素的干擾，天氣狀況、拍攝角度等外界因素都要考慮在內，排除這些因素產生的不利影響。室外場景的三維模型要結合攝像機參數的標定和根據立體匹配結果制作出的三維坐標來進行建構。三維重建技術過程中的各個步驟環環相扣，為了提高三維重建的精確度，應該做好各環節的一系列工作，減小誤差，提高精確度。

室外場景三維建模的各個環節都對算法有極高的要求，不同的算法具有不同的特征和自己獨特的優勢，在建模過程中，科研人員應該做到有針對性的選取算法，例如關鍵幀的提取算法，人們通常將關鍵幀的提取算法分為三大類：基于信息量的關鍵幀提取、基于信息采樣的關鍵幀提取、基于內容分類的關鍵幀提取。對于關鍵幀的提取以及航拍圖像的篩選要經歷粗篩選和精篩選兩個環節以保證圖像質量的高精確度。依據航拍圖像建立數學模型的關鍵是盡量降低每個環節的誤差以保證立體匹配的精確度。

3 室外場景三維重建技術過程中對于無人機航拍圖像的處理方法研究

基于圖像系列的室外場景三維重建主要以圖像特征和幾何視圖為依據，三維重建對于航拍信息的數據處理要求比較高，要求設備具有強大的計算能力，因此對于航拍圖像處理方法的研究也是國內外的專家學者一直探討的一個熱點。

3.1 無人機航拍序列的圖像拼接技術

圖像拼接技術是處理航拍圖像的主要技術手段，圖像拼接指將通過攝像機拍攝的不同視角的數張圖像拼接成一幅完整的高清圖像。在圖像拼接的過程中，圖像的立體配準和圖像之間的無縫融合是決定拼接效果的關鍵性因素，圖像配準的數據處理量比較大，因此圖像配準對于計算機的計算能力有較高的要求。圖像配準技術的創新對于無人機航拍序列圖像的拼接具有重要意義，一般情況下，圖像的拼接包括對于圖像的預處理、圖像的立體配準、建立圖像數學變換模型、完成坐標統一變換、圖像的無縫融合等五個步驟。圖像的預處理主要是對航拍圖像的去躁、特征提取、建立匹配模板、進行圖像變換等基本操作。在圖像匹配的過程中要根據圖像特征提取來進行，匹配策略的選取非常關鍵。其次是對三維數學模型的建立，在建立數學模型的時候要參考攝像機標定，以攝像機的參數來計算模型的參數值，從而在計算機中建立出精準的數學變換模型，然后把拼接后的圖像放入參考圖像的坐標系完成統一替換，然后拼接成高度融合的高清圖像。

3.2 基于航拍圖像的立體匹配算法分析

圖像配準算法主要有兩大類，一類是基于頻域，另一類是基于時域。其中基于時域的圖像匹配算法在航拍圖像和衛星遙感航拍圖像的配準過程中應用比較廣泛，這種匹配算法的拼接精度較高，主要通過互功率譜計算圖像之間的平移矢量，相比于其他的匹配算法具有簡便、精確的優勢。這種算法對于圖像和圖像的重疊比例的要求比較高，如果比例過小，會增加匹配的誤差，降低匹配結果的精確度。基于時域的匹配有兩種匹配依據，一種是基于特征，另外一種是基于區域。基于特征的匹配方法直觀性比較強，但是基于區域的匹配算法精確度較高，但是數據處理過程較復雜，兩者各有優缺點。

3.3 運動恢復結構重建算法研究

在室外場景三維重建的過程中需要通過分析物體獲取圖像的結構信息，這一過程在三維重建技術中被稱作運動恢復結構。運動恢復結構算法步驟也比較繁雜，主要包括：圖像特征提取、攝像機運動的估計、估計結果的優化、攝像機的標定、場景描述、推倒場景的幾何特征。在運動恢復結構重建的過程中用到的算法叫做SFM算法，SFM算法全稱Structure from motion ，即從二維的圖像或者圖像序列中恢復出室外場景相應的三維信息，其中包括成像攝像機的運動參數以及場景的結構信息。SFM算法的原理是通過不同的角度觀察空間中的點從而得到點的相對位置。后來這種理論被推廣應用到平行透視模型和普通透視模型的建立方面。通過SFM算法進行三維重建要進行平差工作以減小誤差，提高模型的精確度，光束法平差是最常使用的降低誤差的方法，它以單張像片為單元，根據控制點的外業和內業坐標相等、加密點的外業和內頁坐標相等的原則和攝影站、像點、地面點三點共線得原理進行區域網平差，從而列出誤差方程進行平差處理，三維重建的關鍵是通過技術手段實現室外場景虛擬現實的模型重建。

4 總結

科學技術的快速發展給人們的生活帶來了諸多便利，給人們做出科學的決策提供了第一手精準的信息資料，無人機航拍圖像室外場景三維建模技術隨著科學的發展被廣泛應用到環境監測、災害防治、國土安全監控、城鎮建設規劃、開發自然資源等各大領域之中。無人機航拍以其相比于其他航拍機型輕便靈活、成本低廉、易于操作、精準度高、適用性強的優點深受人們的青睞。無人機航拍可以快速獲取高清晰度、高清精準度的室外場景圖像，高度迎合了社會經濟發展的需要，對于無人機航拍技術、無人機航拍圖像的處理、航拍圖像數據的分析方面的研究和探討也更加深入。室外場景三維建模技術的發展得益于遙感航拍技術、特征提取技術和圖像拼切技術的發展。在生活中，應該充分利用這些技術為人們的生活和社會的發展服務。

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