低空攝影測量在三維虛擬場景中的應(yīng)用研究

張曉珺

摘要：科技發(fā)展的日新月異為人類帶來了很多便利，也為各行各業(yè)攻克技術(shù)難題提供了無限可能。小區(qū)域空間測量一直是困擾測繪人員的一大難題，但低空攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)成功的解決了這一難題。本文將低空攝影測量與三維虛擬場景構(gòu)建密切結(jié)合起來，主要介紹低空攝影測量的相關(guān)概念、國內(nèi)外現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及低空攝影測量在三維虛擬場景構(gòu)建中的應(yīng)用，這些應(yīng)用主要包括三維虛擬場景構(gòu)建中所需要的基本數(shù)據(jù)的采集、場景和界面的優(yōu)化方法等，為三維虛擬場景設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：三維圖像；虛擬場景；低空攝影測量

隨著攝影測量技術(shù)的改進(jìn)和以無人機(jī)為代表的低成本攝影平臺(tái)的逐步改善，低空攝影測量成為可能。與傳統(tǒng)的攝影測量方法相比，低空攝影測量可以全方位、多角度地對(duì)測量對(duì)象進(jìn)行攝影，呈現(xiàn)出拍攝對(duì)象的全貌。不僅如此，低空攝影測量還能大大提高拍攝質(zhì)量和拍攝效率，降低工作人員的攝影測量工作強(qiáng)度，而傳統(tǒng)的攝影測繪則不具有這些優(yōu)勢。由于低空攝影測量使用先進(jìn)的飛行裝置，因此在攝影時(shí)可以不受空間的約束，自如進(jìn)行攝影。人類的繪圖模式也在發(fā)生著翻天覆地的變化，由最初的二維制圖發(fā)展到立體的三維制圖，再到現(xiàn)如今的三維虛擬場景構(gòu)建，場景越來越立體化地呈現(xiàn)在我們眼前，使觀者猶如身臨其境。在三維虛擬場景的構(gòu)建中，低空攝影測量為整個(gè)場景構(gòu)建提供了二維圖像及相對(duì)方位信息，是整個(gè)場景構(gòu)建過程的基礎(chǔ)。三維虛擬場景被越來越多地提及，如數(shù)字校園、數(shù)字城市等的構(gòu)建就是通過三維虛擬場景來實(shí)現(xiàn)的。

一、低空攝影測量簡介

1、低空攝影測量概念

顧名思義，低空攝影測量就是在規(guī)定的低空范圍內(nèi)，通過將拍攝器械安裝到飛行裝置的合適位置，進(jìn)行空間上的地形地貌數(shù)據(jù)或建筑數(shù)據(jù)測量，而飛行裝置上升的高度須控制在1000米以下。常用的飛行裝置有無人機(jī)、無人飛艇等，氣球也曾被用作低空攝影測量的搭載工具，但不易對(duì)氣球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，拍攝角度受限，因此實(shí)際使用的不多。隨著無人機(jī)的普及，很多小范圍的空間攝影測量都開始使用無人機(jī)作為攝影器械的搭載工具。這種飛行器成本較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)簡單，但比較穩(wěn)定，十分適合作為低空攝影測量的搭載平臺(tái)。而且無人機(jī)采用遙感技術(shù)，可以隨時(shí)將攝影信息傳回控制臺(tái)，使控制人員及時(shí)了解低空攝影測量的具體情況，并通過遠(yuǎn)程控制使無人機(jī)調(diào)整方向和角度，拍攝預(yù)期畫面。

2、低空攝影測量現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外都比較重視這一測量方法的研究和應(yīng)用，并且技術(shù)手段也在不斷提高。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是低空攝影測量中的重要系統(tǒng)，國內(nèi)外的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，我國常見的有JX4系統(tǒng)和Virtuozo系統(tǒng)。在眾多科技人員的辛勤努力之下，我國的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，在走向自動(dòng)化的道路上邁進(jìn)了一大步，比較典型的代表有DPGfid系統(tǒng)，GEOWAYCIPS系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)處理的精度和效率在不斷提高，較為明顯的是高程精度的變化，這主要是通過多基線的處理方法，將不同角度不同距離拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匹配，采用圖像融合技術(shù)結(jié)合無人機(jī)的遙感數(shù)據(jù)傳輸功能對(duì)實(shí)時(shí)獲得的影像資料進(jìn)行三維建模，并通過模型校驗(yàn)不斷改進(jìn)，將現(xiàn)實(shí)場景通過三維建模方式以立體的形式呈現(xiàn)出來。低空攝影測量的應(yīng)用范圍極為廣泛，不僅可以用于建筑上的測量，還可以幫助進(jìn)行災(zāi)難救援，無人機(jī)可以拍攝受災(zāi)情況，使救援人員及時(shí)了解災(zāi)情，以便制定合理的救援計(jì)劃。

3、低空攝影測量的主要技術(shù)

低空攝影測量的技術(shù)較為較為先進(jìn)，首先討論遙感平臺(tái)技術(shù)。這種技術(shù)的性價(jià)比直接關(guān)系到拍攝的質(zhì)量和效率，因此該技術(shù)的不斷發(fā)展是低空攝影測量得以廣泛推行的基礎(chǔ)。在改善性能降低成本的同時(shí)，要考慮到飛行高度、精度及航行時(shí)間等因素，不能以犧牲這些關(guān)鍵指標(biāo)來盲目降低成本，導(dǎo)致拍攝效果不盡如人意。其次，是遙感傳感器技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)相機(jī)的要求較高，需要相機(jī)不僅要質(zhì)量輕，而且要具備儲(chǔ)存大量圖像的容量，還要具有較高的攝影參數(shù)。而目前，市面上大多數(shù)相機(jī)都達(dá)不到這一標(biāo)準(zhǔn)。低空攝影測量的目的不同，需要使用的相機(jī)類型可能也會(huì)有差異。如有些低空攝影測量需要使用紅外相機(jī)，而另一些需要使用多光譜相機(jī)，因此應(yīng)根據(jù)不同的需求來開展相機(jī)研發(fā)工作。

二、三維虛擬場景構(gòu)建

1、基本數(shù)據(jù)采集和處理

三維虛擬場景的構(gòu)建需要低空攝影測量為其提供基本的數(shù)據(jù)，因此紋理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到三維虛擬場景的構(gòu)建是否與現(xiàn)實(shí)相符。采集紋理數(shù)據(jù)需要用專業(yè)的軟件進(jìn)行紋理映射處理，可以結(jié)合實(shí)際情況，將單幅正攝影像分成幾部分，化整為零，方便系統(tǒng)加載，數(shù)據(jù)加載完成后進(jìn)行拼接。建筑物不同位置的紋理數(shù)據(jù)采集方法不太相同。頂部紋理直接在正射影像上獲取，側(cè)面則不能這樣得到，應(yīng)該通過對(duì)實(shí)地低空攝影測量圖像進(jìn)行處理得到。根據(jù)建筑物的風(fēng)格樣式、共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，建立公共紋理庫，可提高工作效率。

2、場景及界面優(yōu)化

三維場景的設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化也包括很多細(xì)節(jié)方面的問題。就光源問題來說，整個(gè)場景的光線應(yīng)該比較集中，充分反映出各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系和區(qū)別。針對(duì)這一點(diǎn)，聚光燈光源的效果較好，通過利用光的物理特性，改善場景的亮度效果。在構(gòu)建三維室外虛擬場景時(shí)，不僅要構(gòu)建建筑物，還要添加一些花草樹木起點(diǎn)綴作用，讓整個(gè)場景看起來不至于死氣沉沉，了無生機(jī)。還可以在場景中添加音樂，進(jìn)行氣氛渲染。Clipping Planes邊界內(nèi)部的物體會(huì)被渲染，這樣就大大降低了系統(tǒng)的工作效率，解決方案是在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置60°角。

結(jié)束語：低空攝影測量的實(shí)現(xiàn)為完整的三維虛擬場景構(gòu)建提供了重要的數(shù)據(jù)，前者是后者的基礎(chǔ)。利用前者的數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維虛擬場景重現(xiàn)了真實(shí)建筑的模樣，使人們能夠全面具體地了解建筑的整體狀況和詳細(xì)參數(shù)，為建筑設(shè)計(jì)和建筑規(guī)劃提供了一種便捷方法。endprint