基于傾斜攝影的實(shí)景三維模型制作優(yōu)化研究

朱悅陽 胡丹丹 劉楊

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；傾斜攝影；空三優(yōu)化；實(shí)景三維模型；精細(xì)化模型

0引言

近年來，隨著無人機(jī)制造技術(shù)的迅速發(fā)展、相機(jī)重量減輕以及相機(jī)分辨率不斷提升，結(jié)合導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行航空攝影，再利用專業(yè)的攝影測量軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到高質(zhì)量的測繪產(chǎn)品，成為基礎(chǔ)測繪地理產(chǎn)品的主要制作方案[1-3]。對(duì)于攝影測量影像數(shù)據(jù)解算而言，其最核心的算法是提取影像的同名點(diǎn)，并完成加密點(diǎn)的平差調(diào)整[4]。利用同一款軟件進(jìn)行影像空中三角測量解算，輸入工程的影像數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)和POS數(shù)據(jù)，直接決定著空三解算成果的可用性。傾斜攝影測量由于獲取影像數(shù)據(jù)的角度大，導(dǎo)致采集的影像分辨率差異大，并且影像畸變也大[5]。以下視POS數(shù)據(jù)代替?zhèn)纫曄鄼C(jī)POS數(shù)據(jù)，導(dǎo)致輸入工程的POS精度低，并且相機(jī)參數(shù)精度較低，都嚴(yán)重影響了傾斜數(shù)據(jù)空三解算的精度和通過率[6]。由于傾斜攝影方式采集的影像存在較多盲區(qū)，并且目前算法對(duì)弱紋理數(shù)據(jù)解算效果不佳，構(gòu)建模型過程中算法的局限性，導(dǎo)致模型出現(xiàn)破損、扭曲變形等，影響著模型的整體質(zhì)量和可用性[7-8]。鑒于上述各種問題，本文對(duì)傾斜攝影技術(shù)展開深入研究，重點(diǎn)對(duì)傾斜影像空三加密解算和模型質(zhì)量提升進(jìn)行分析研究，并以實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)多組影像數(shù)據(jù)的解算對(duì)比分析，得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可以提升傾斜影像空三加密解算的通過率和精度；利用模型修飾軟件對(duì)模型成果進(jìn)行處理，可以提升模型成果的整體質(zhì)量和模型地物結(jié)構(gòu)的完整性。本文的研究可以為同行作業(yè)人員在傾斜攝影數(shù)據(jù)解算方面提供參考。

1無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

該技術(shù)是指以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，以不同角度組合的多個(gè)相機(jī)為傾斜相機(jī)，結(jié)合導(dǎo)航和定位技術(shù)，在空中對(duì)地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，并記錄相機(jī)在空中曝光時(shí)的位置和姿態(tài)。利用影像之間的關(guān)系和共線方程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，生產(chǎn)得到各種符合測繪精度要求的測繪產(chǎn)品。目前常見的傾斜相機(jī)有2鏡頭、5鏡頭甚至更多鏡頭，其中最常見的是5鏡頭，由4個(gè)側(cè)視和1個(gè)下視相機(jī)組成，且側(cè)視和下視兩相機(jī)之間的夾角為45度。在航攝作業(yè)時(shí)，下視相機(jī)以垂直的角度采集目標(biāo)地物頂部數(shù)據(jù)，側(cè)視相機(jī)則以45度的角度采集目標(biāo)地物側(cè)面數(shù)據(jù)。相機(jī)焦距、像元大小、航攝影像地面分辨率和航攝高度之間存在如式（1）的關(guān)系：

其中：a代表像元大小、GSD代表影像地面分辨率、f代表相機(jī)焦距，H代表航攝高度。這里的航攝高度實(shí)際上指的是相機(jī)中心點(diǎn)距離目標(biāo)地物點(diǎn)的距離。對(duì)于傾斜相機(jī)來說，這個(gè)距離是下視的1.4倍。為了使得獲取的影像分辨率盡可能相同，在進(jìn)行傾斜相機(jī)組裝時(shí)，將側(cè)視相機(jī)焦距調(diào)整為下視相機(jī)焦距的1.4倍，然后固定焦距，完成傾斜相機(jī)的組裝。

2航攝數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

航攝成果主要包括影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)，利用這三種數(shù)據(jù)才能完成空三加密數(shù)據(jù)的解算。因此，需要對(duì)這三種數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，才可以提升傾斜攝影空三加密解算的通過率和精度。

2.1相機(jī)參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于傾斜相機(jī)來說，其與地面的夾角較大。目前的相機(jī)檢校算法已經(jīng)不能滿足傾斜相機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確檢校。因此，在獲取高精度傾斜相機(jī)參數(shù)時(shí)，都是利用軟件自檢校的方式。即選取POS數(shù)據(jù)一致的5個(gè)鏡頭的影像數(shù)據(jù)，且這部分?jǐn)?shù)據(jù)最少包含3個(gè)航帶，并且選取范圍內(nèi)至少包含4個(gè)像控點(diǎn)和1個(gè)檢查點(diǎn)，像控點(diǎn)分布在選取范圍的四周，檢查點(diǎn)位于選取范圍的中間區(qū)域。利用傾斜攝影軟件對(duì)該部分影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，然后將5個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，設(shè)置中間的1個(gè)點(diǎn)為檢查點(diǎn)并進(jìn)行多次迭代的平差調(diào)整運(yùn)算。然后查看平差報(bào)告，當(dāng)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)的較差趨于穩(wěn)定，相機(jī)參數(shù)不再發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)獲取的相機(jī)參數(shù)精度較高，可以作為優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的解算。

2.2POS數(shù)據(jù)優(yōu)化

POS是相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)。目前的傾斜相機(jī)，大多數(shù)是以下視POS數(shù)據(jù)來代替?zhèn)纫曄鄼C(jī)的POS。對(duì)于數(shù)據(jù)解算而言，準(zhǔn)確恢復(fù)影像之間的關(guān)系，能有效提升影像數(shù)據(jù)的解算質(zhì)量。從POS數(shù)據(jù)出發(fā)，以下視相機(jī)POS為基準(zhǔn)，利用相機(jī)之間的安裝距離和角度等參數(shù)，對(duì)側(cè)視相機(jī)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后得到準(zhǔn)確的側(cè)視相機(jī)對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。這種方法對(duì)人員要求較高，需要懂編程、會(huì)開發(fā)軟件，然后對(duì)POS進(jìn)行優(yōu)化處理。

還有一種是多軟件組合進(jìn)行POS數(shù)據(jù)優(yōu)化。目前傾斜攝影解算軟件較多，每個(gè)軟件的算法都不同。采用不同的軟件，可以實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的低精度解算，得到精度較高的POS數(shù)據(jù)，且每個(gè)相機(jī)之間的相對(duì)精度也較高。然后將高精度POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入到高精度空三解算軟件中，完成高精度空三加密數(shù)據(jù)的解算。這是目前常用的POS數(shù)據(jù)優(yōu)化措施。

2.3影像數(shù)據(jù)優(yōu)化

影像數(shù)據(jù)優(yōu)化主要是提升影像的質(zhì)量，減小影像的畸變誤差。對(duì)于攝影測量而言，只有相機(jī)中心點(diǎn)不存在影像畸變，其余區(qū)域，隨著距離中心點(diǎn)的距離越大，影像畸變差就越大，這種情況不利于數(shù)據(jù)的高精度解算。利用準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，對(duì)影像畸變誤差進(jìn)行處理，可以提升影像的整體質(zhì)量，有利于空三加密的高精度解算。除此之外，采用蒙板技術(shù)對(duì)影像畸變大的區(qū)域進(jìn)行處理，也可以減小影像整體的畸變影響，得到高精度空三加密成果。采用蒙板進(jìn)行畸變處理，其主要思路如下：選取一張航攝影像作為蒙板，將影像加載到Photoshop軟件中，選中影像邊緣部分，對(duì)其RGB賦值為（0，0，0），剩余部分RGB統(tǒng)一賦值為（255，255，255），并對(duì)蒙板命名為mask.tif，將其放置到影像所在的文件夾下，即可完成蒙板的設(shè)置。

3空三加密解算對(duì)比

為了驗(yàn)證本文提出的優(yōu)化措施對(duì)影像空三加密解算的影響，筆者采用了不同類型的5組影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到的結(jié)果見表1。

4實(shí)景三維模型制作

實(shí)景三維模型的生產(chǎn)主要是基于空三加密成果完成的，在空三成果的基礎(chǔ)上，基于多視影像密集匹配技術(shù)生產(chǎn)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建，得到TIN模型。基于TIN模型中三角網(wǎng)頂點(diǎn)和傾斜影像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在多張影像中選擇最優(yōu)的影像進(jìn)行紋理的自動(dòng)映射，最后按照要求的成果格式進(jìn)行模型輸出。本次對(duì)城區(qū)建筑多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維模型生產(chǎn)，得到的部分實(shí)景三維模型成果如圖1所示。

5模型成果問題分析與優(yōu)化處理

采用人機(jī)交互方式對(duì)本次生產(chǎn)的模型成果進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)部分模型窗戶不平整，部分建筑物底部扭曲變形，對(duì)模型問題展開以下分析，并給出解決措施。

5.1窗戶不平整分析及解決措施

模型構(gòu)建是基于三角網(wǎng)，而三角網(wǎng)是在密集點(diǎn)云的基礎(chǔ)上得到的。由于匹配的點(diǎn)云存在誤差，因此得到的三維模型中窗戶面并不平整，而是凸凹不平的。

針對(duì)窗戶不平整問題，目前采用的優(yōu)化處理措施主要有兩種，即模型壓平和模型重建。模型壓平是指將窗戶對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)選中，然后選擇立面為基準(zhǔn)面，將選中的三角網(wǎng)全部壓到基準(zhǔn)面上，這種方式不需要重新建模，但可能會(huì)導(dǎo)致三角網(wǎng)疊加問題，從而在模型成果展示時(shí)出現(xiàn)模型閃爍問題。另一種優(yōu)化措施是直接進(jìn)行三維模型單體化重建，即利用空三和影像數(shù)據(jù)，或者基于實(shí)景三維模型成果，設(shè)置窗戶所在的面為基準(zhǔn)面，采集窗戶的兩個(gè)頂點(diǎn)，并通過延伸方式得到另外兩個(gè)頂點(diǎn)，從而構(gòu)建得到窗戶面，形成優(yōu)化后的模型成果。

5.2建筑底部扭曲變形分析及解決措施

傾斜攝影是從空中對(duì)地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，因此在建筑物底部會(huì)出現(xiàn)航攝盲區(qū)。對(duì)于空三加密解算而言，其主要是基于影像提取可靠的同名點(diǎn)坐標(biāo)，而在盲區(qū)部分由于缺乏可靠的影像，無法獲取準(zhǔn)確的同名點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而得不到密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在基于密集點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，由于缺乏點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)發(fā)生扭曲變形問題，從而得到的實(shí)景三維模型呈現(xiàn)扭曲變形問題。

從點(diǎn)云入手，采用激光掃描方式獲取密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整的建筑物模型。在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)之前，首先在墻的立面上布設(shè)像控點(diǎn)，并利用全站儀采集立面像控點(diǎn)的坐標(biāo)值。隨后，利用地面激光掃描設(shè)備獲取建筑物底部的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用像控點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正處理。在與傾斜影像接邊的區(qū)域，利用公共點(diǎn)對(duì)兩套成果的精度進(jìn)行約束，以確保采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果與傾斜攝影得到的點(diǎn)云成果能夠完美融合，然后基于這兩套點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建。由于彩色點(diǎn)云自帶紋理數(shù)據(jù)，因此直接將彩色點(diǎn)云的紋理映射到模型上，即可完成高質(zhì)量模型數(shù)據(jù)的制作。

從三角網(wǎng)入手，采用單體化技術(shù)對(duì)扭曲變形的建筑物進(jìn)行模型重建。首先利用OSGB模型或者恢復(fù)的立體模型，采集建筑物的頂點(diǎn)和邊界線，然后利用拉伸等操作，完成建筑物結(jié)構(gòu)的建模。直接從模型上獲取紋理信息，對(duì)于紋理映射錯(cuò)誤的部分，采用Photo?shop軟件進(jìn)行處理，然后將優(yōu)化后的紋理重新映射到模型上，從而得到高質(zhì)量的模型成果。

6優(yōu)化模型制作

針對(duì)窗戶不平整問題，采用單體化軟件進(jìn)行模型重建，得到優(yōu)化前后的窗戶模型成果如圖2所示。

對(duì)扭曲變形的建筑底部模型采用單體化技術(shù)進(jìn)行三維模型重建，并對(duì)部分場景成果中的樹木進(jìn)行刪除，同時(shí)植入模型庫中的樹木；對(duì)模型中的車輛等進(jìn)行刪除，得到優(yōu)化前后的模型場景成果如圖3所示。

7結(jié)束語

本文分析了傾斜攝影技術(shù)，對(duì)傾斜攝影空三解算進(jìn)行了優(yōu)化研究，采用不同數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明優(yōu)化后的數(shù)據(jù)可以有效提升空三加密解算成果的通過率和精度。采用建模軟件生產(chǎn)實(shí)景三維模型，查看并分析了模型存在問題產(chǎn)生的原因，給出解決措施，并對(duì)生產(chǎn)的模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，得到了質(zhì)量更高的模型成果。本文的研究可以為傾斜攝影數(shù)據(jù)的高精度空三加密解算和高質(zhì)量模型生產(chǎn)提供借鑒。