基于無人機數(shù)據(jù)的精細化模型制作研究

徐夢潔 鄭朝峰 季曉菲

關(guān)鍵詞：無人機航攝；精細化模型；實景三維Mesh 模型；建筑物優(yōu)化；懸浮物優(yōu)化

0 引言

隨著低空無人機攝影技術(shù)的迅速發(fā)展，傾斜相機組裝技術(shù)日益完善，影像解算軟件不斷優(yōu)化更新。基于傾斜攝影技術(shù)采集無人機影像，利用專業(yè)軟件對采集的影像進行解算，結(jié)合高精度控制點成果，生產(chǎn)實景三維模型和各種測繪產(chǎn)品，已成為測繪產(chǎn)品主流的生產(chǎn)方式[1-3]。由于傾斜攝影一般具有多視角、高重疊度、高分辨率的特點，因此傾斜攝影解算精度更可靠，產(chǎn)品用途更加廣泛[4-5]。然而，基于傾斜攝影方式采集的影像同時也存在航攝盲區(qū)、影像畸變大、冗余度高的特點，這為影像數(shù)據(jù)的解算和高質(zhì)量模型的生產(chǎn)帶來了影響[6-8]。為了提升實景三維模型成果的質(zhì)量，筆者對傾斜攝影測量技術(shù)展開了深入研究，并對實景三維模型中影響模型質(zhì)量的環(huán)節(jié)進行了分析。分析了模型質(zhì)量不高的原因，并針對不同的原因，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，從而提升模型的質(zhì)量。為了驗證本文提出方案的可行性，以某城市實景三維模型生產(chǎn)項目為研究對象，將本文的優(yōu)化措施用于該項目中部分模型的優(yōu)化，得到了高質(zhì)量的實景三維模型成果。本文的研究對于精細化高質(zhì)量模型的制作具有一定的借鑒意義。

1無人機傾斜攝影

1.1 無人機傾斜攝影原理

在無人機飛行平臺上搭載1臺或多臺航攝儀，采用交叉五向飛行或航線飛行方式，獲取目標(biāo)物體頂部和側(cè)面紋理影像數(shù)據(jù)。同時利用搭載的慣導(dǎo)設(shè)備，記錄航攝儀曝光時的位置和姿態(tài)。采用專業(yè)的軟件，結(jié)合位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用SIFT、ORB、SURF等匹配算法，對航攝影像進行同名點匹配，并基于匹配的同名點完成影像點云的密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建和優(yōu)化、白模的制作和影像紋理優(yōu)化映射，最終得到實景三維Mesh模型、數(shù)字真正射影像等成果。

1.2 無人機傾斜攝影系統(tǒng)組成

無人機傾斜攝影系統(tǒng)主要包括飛行平臺、傾斜相機設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件和計算機設(shè)備。飛行平臺需要能夠滿足低空飛行，飛控能夠控制相機同時作業(yè)，獲取厘米級分辨率的影像數(shù)據(jù)。目前飛行平臺主要有無人機和有人機，無人機又分為多旋翼無人機和固定翼無人機。傾斜相機設(shè)備需要滿足整體重量輕、單相機像素高、集成總相機像素高、相機鏡頭焦距固定等要求。目前傾斜相機主要有2個鏡頭、3個鏡頭和5個鏡頭等，傾斜相機焦距常見的為25mm、35mm、40mm 和50mm等。數(shù)據(jù)處理軟件研發(fā)公司目前較多，國外的軟件主要有美國本特利的Context Capture，瑞典的Pix4D Mapper，俄羅斯的Agisoft PhotoScan等；國內(nèi)的軟件主要有上海瞰景科技Smart3D，大疆的大疆智圖，航天遠景的Virtuoso3D等。不同軟件之間由于算法存在差異性，因此解算得到的成果精度和解算效率也存在較大差異，而且傾斜影像存在畸變大、重疊度高、分辨率差異大等問題，導(dǎo)致部分軟件解算得到的空三成果存在分層、彎曲等問題，無法直接使用。計算機設(shè)備主要考慮顯卡、CPU、內(nèi)存條大小和硬盤讀寫速度等因素，這些都直接影響模型的生產(chǎn)效率。

1.3 無人機傾斜攝影建模流程

基于傾斜影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)實景三維模型的主要過程包括前期數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量解算和實景三維模型制作等，具體的作業(yè)流程如圖1所示。

2 精細化模型制作優(yōu)化措施

對于模型成果質(zhì)量的評價，除了對成果附件、坐標(biāo)系統(tǒng)、絕對精度、相對精度等進行評價外，還包括對模型結(jié)構(gòu)的完整性和紋理的正確性進行評價。本文主要從模型結(jié)構(gòu)和紋理兩方面展開研究，分析不同模型結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生的原因，并給出對應(yīng)的優(yōu)化措施，然后對紋理進行編輯，以獲得高質(zhì)量的成果。模型結(jié)構(gòu)問題常見的有路燈、樹木懸浮物問題和建筑物結(jié)構(gòu)扭曲變形問題。這兩個問題影響了模型成果的視覺效果，因此需要對該類問題進行優(yōu)化處理。

2.1 懸浮物問題產(chǎn)生原因及優(yōu)化措施

實景三維模型其本質(zhì)是“一張皮”模型，即屬于表皮模型，組成該表皮模型的最小單元是三角網(wǎng)面片，而反映地形起伏變化、建筑物結(jié)構(gòu)的也是該三角網(wǎng)面片。通過圖2的實景三維模型制作流程可知，不規(guī)則三角網(wǎng)是基于稠密點云構(gòu)建的，而稠密點云則是通過影像的密集匹配得到的。因此，對于懸浮物問題，其根本的產(chǎn)生原因是構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)了不連續(xù)。樹木、路燈這類地物，都具有中間部分較細小的特點，這種地物在進行多視影像密集匹配過程中，能夠解算匹配得到的點較少，由于稠密點云數(shù)量少，按照不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則，構(gòu)建的三角網(wǎng)數(shù)量較少，出現(xiàn)了構(gòu)網(wǎng)不連續(xù)現(xiàn)象，因此出現(xiàn)懸浮這一問題。

對于懸浮物的處理，可以從以下幾個方面進行優(yōu)化處理。1）獲取更高分辨率的影像數(shù)據(jù)。在多視影像密集匹配與聯(lián)合平差過程中，對于分辨率低的影像匹配得到的稠密點云，由于其精度低，因此在聯(lián)合平差過程中，易被作為錯誤點進行刪除。在同一軟件中，影像分辨率越高，匹配得到的點云精度越高，且點云數(shù)量更多。因此，獲取更高分辨率的影像數(shù)據(jù)有助于解決懸浮物這一問題。目前，獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)的常用方法包括仿地飛行、貼近攝影測量和地面補攝等。2）獲取重疊度更高的影像數(shù)據(jù)。在影像解算過程中，密集點云的數(shù)量和影像的數(shù)量密切相關(guān)。當(dāng)其他條件不變時，重疊度越高，獲取的影像數(shù)量就越多，從而可以獲取更稠密的點云數(shù)據(jù)，保證構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)，解決懸浮物問題。3）獲取更加密集的點云數(shù)據(jù)。因為點云數(shù)據(jù)是三角網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，因此獲取更高分辨率的點云數(shù)據(jù)可以保證構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)。對于點云的獲取，除了基于影像匹配得到外，還可以直接采用三維激光掃描獲取。由于航攝精度和掃描精度不一致，因此需要利用公共控制點對兩套數(shù)據(jù)進行校正，在精度符合誤差要求后，將掃描的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到傾斜影像解算軟件中，完成連續(xù)三角網(wǎng)的構(gòu)建。4）利用模型庫中的模型對懸浮物進行刪除和替換。這是目前最常用的方式。對于實景三維模型，可以使用專業(yè)軟件對實景三維模型進行編輯。編輯的本質(zhì)是改變原有三角網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，重新進行三角網(wǎng)的構(gòu)建。對于懸浮物的處理，一般是選中懸浮物，并直接刪除，然后對高出地面部分的區(qū)域進行壓平處理。壓平處理后的模型一般會出現(xiàn)三角網(wǎng)疊加問題，在查看時會出現(xiàn)閃面問題，因此，對壓平的區(qū)域進行刪除，然后利用周邊的三角網(wǎng)對刪除后的孔洞進行內(nèi)插，構(gòu)建新的三角網(wǎng)，從而解決閃面問題。最后，結(jié)合空三加密成果，對編輯后的區(qū)域紋理進行修改，確保紋理過渡自然，與周邊環(huán)境相適應(yīng)。對于在第三方平臺展示的模型，可以直接將模型庫中的模型植入到平臺中，然后對植入的模型尺寸進行修改，從而使模型更加真實，解決模型成果質(zhì)量不佳的問題。

2.2 建筑物扭曲變形問題產(chǎn)生原因及優(yōu)化措施

由于航空攝影是從空中對地面進行影像采集，因此對于密集建筑區(qū)域、道路兩側(cè)的臨街商鋪、屋檐、門廊等下面，是無法直接獲取到影像數(shù)據(jù)的。在影像解算過程中，對于有影像的部分，可以準(zhǔn)確解算得到密集點云；然而，對于航攝盲區(qū)，則無法準(zhǔn)確解算得到點云。該部分點云稀少且精度差，導(dǎo)致在構(gòu)建三角網(wǎng)時，由于點云數(shù)量少，無法準(zhǔn)確構(gòu)建三角網(wǎng)，因此出現(xiàn)了建筑物結(jié)構(gòu)扭曲變形的問題。由于無可靠影像，在紋理映射過程中也會將錯誤的紋理映射到模型上，導(dǎo)致模型整體視覺效果差，質(zhì)量低。

針對建筑物底部結(jié)構(gòu)變形問題的處理，通常采用三維激光掃描方式和單體化方式進行優(yōu)化處理。三維激光掃描方式即采用靜態(tài)或動態(tài)方式獲取建筑物底部的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，然后利用控制點對點云數(shù)據(jù)進行糾正，將影像紋理映射到點云上，得到彩色點云成果。通過公共控制點對傾斜空三成果進行平差糾正，在確保掃描的點云成果和影像成果精度在誤差允許范圍內(nèi)的情況下，將點云成果導(dǎo)入建模軟件中，通過兩套點云的融合進行三角網(wǎng)的構(gòu)建，從而得到高質(zhì)量建筑物模型。單體化方式即以傾斜空三加密成果為基礎(chǔ)，將該成果數(shù)據(jù)恢復(fù)到單體化軟件中，利用恢復(fù)的立體像對模型，對建筑物的結(jié)構(gòu)輪廓進行采集，然后得到建筑物白模，利用空三成果，將影像的紋理映射到白模上，然后編輯修改映射的紋理，直到紋理與實際情況相符，從而得到高質(zhì)量的模型成果，解決建筑物扭曲變形的問題。

3 項目應(yīng)用

某城市開展實景三維模型生產(chǎn)，利用專業(yè)的傾斜攝影建模軟件生產(chǎn)的模型成果存在樹木懸浮物、建筑扭曲變形的問題，影響模型成果的整體質(zhì)量。基于本文提出的模型優(yōu)化措施，對實際生產(chǎn)的模型進行了優(yōu)化處理，得到了質(zhì)量較高的模型成果。部分模型優(yōu)化前后的效果對比圖如圖2和圖3所示。

4 結(jié)束語

本文首先探討了無人機傾斜攝影技術(shù)，其次深入分析了模型懸浮物、建筑物扭曲變形問題產(chǎn)生的原因，并給出相應(yīng)的模型優(yōu)化措施。最后以實際項目為例，對本文提出的措施的可行性和優(yōu)化效果進行了驗證。通過優(yōu)化前后的模型對比可知，采用本文提出的措施可以得到精細化模型。本文的研究對于無人機數(shù)據(jù)精細化模型的制作具有一定的借鑒意義。