買小爭(zhēng) 馮學(xué)勝 顏振能 劉一軍

(自然資源部第七地形測(cè)量隊(duì), 海南 ?？?570203)

0 引言

近年來,隨著無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)快速生產(chǎn)實(shí)景三維模型,成為獲取城市級(jí)三維地理信息的主要技術(shù)手段。但是受飛行高度、拍攝角度、遮擋等因素的影響導(dǎo)致模型幾何和紋理信息缺失,模型存在拉花、漏洞等問題,嚴(yán)重影響模型的完整度和精細(xì)度,后期需要投入大量的技術(shù)人員進(jìn)行模型修飾工作。因此,建立精細(xì)化實(shí)景三維模型具有重要意義和廣闊的前景。

貼近攝影測(cè)量是由張祖勛院士團(tuán)隊(duì)針對(duì)精細(xì)化測(cè)量要求提出的全新攝影測(cè)量技術(shù)[1-3],是精細(xì)化對(duì)地觀測(cè)需求與旋翼無人機(jī)發(fā)展結(jié)合的必然產(chǎn)物。貼近攝影測(cè)量是面向?qū)ο蟮臄z影測(cè)量,它以物體的“面”為攝影對(duì)象,利用旋翼無人機(jī)貼近攝影獲取超高分辨率影像,進(jìn)行精細(xì)化地地理信息提取,可高度還原地表和物體的精細(xì)結(jié)構(gòu),彌補(bǔ)了其他攝影測(cè)量無法達(dá)到的精細(xì)度要求。貼近攝影測(cè)量為城市建筑精細(xì)三維重建、古建筑修復(fù)、地質(zhì)、滑坡監(jiān)測(cè)等方面提供一種有效的補(bǔ)充手段。

文章基于傾斜攝影測(cè)量和貼近攝影測(cè)量?jī)煞N技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),選用多旋翼無人機(jī)分別采集建筑的傾斜影像和貼近影像數(shù)據(jù),將貼近攝影影像與傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模,模型精細(xì)度明顯提升,能夠極大程度地改善目前單一傾斜攝影建模存在的系列問題[4-6],并從模型精度、紋理結(jié)構(gòu)上對(duì)融合建模模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 攝影測(cè)量基本原理

1.1 傾斜攝影測(cè)量原理

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),通過同一飛行平臺(tái)上搭載一臺(tái)或多臺(tái)傳感器,多次獲一次性從垂直、傾斜等不同角度采集影像,獲取地面物體更為完整的側(cè)面紋理信息,采集的垂直和傾斜影像經(jīng)建模軟件可以完成大面積實(shí)景三維模型構(gòu)建。

1.2 貼近攝影測(cè)量原理

貼近攝影測(cè)量是以物體“面”為對(duì)象,利用無人機(jī)或其他拍攝設(shè)備貼近物體表面攝影,獲取(亞厘米級(jí))高分辨率影像,并進(jìn)行攝影測(cè)量處理,從而恢復(fù)被攝對(duì)象的精確坐標(biāo)和精細(xì)形狀結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傾斜攝影測(cè)量,貼近攝影重點(diǎn)在于在適當(dāng)?shù)慕嵌认陆嚯x拍攝建筑側(cè)面,獲取的建筑立面信息更完整,紋理細(xì)節(jié)更豐富,實(shí)現(xiàn)其他攝影測(cè)量無法達(dá)到的精度要求。貼近攝影原理如圖1所示。

圖1 貼近攝影測(cè)量

2 融合精細(xì)化建模技術(shù)思路

貼近攝影影像與傾斜影像融合精細(xì)化建模的技術(shù)思路是：由無人機(jī)獲取大場(chǎng)景傾斜影像并在建模軟件中構(gòu)建粗模,貼近攝影采集目標(biāo)物側(cè)面高分辨率影像并進(jìn)行空三加密處理,生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù),將貼近攝影影像空三加密成果與大場(chǎng)景空三成果進(jìn)行融合,兩者匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)互相補(bǔ)充使模型精細(xì)度得到提升。由于貼近攝影影像生成的點(diǎn)云不包含地面信息,需要在粗建模型中提取特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)提供精確坐標(biāo)輔助貼近攝影影像進(jìn)行空三加密,保證貼近攝影與傾斜影像模型坐標(biāo)系的統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)的融合[7-8]。

傾斜影像與貼近影像融合精細(xì)化建模的主要技術(shù)流程是：①常規(guī)傾斜攝影與粗模構(gòu)建。無人機(jī)常規(guī)飛行采集低分辨率傾斜影像數(shù)據(jù),經(jīng)建模軟件空三加密、多視角影像密集匹配、3DTIN模型構(gòu)建與優(yōu)化、紋理關(guān)聯(lián)貼附后生成實(shí)景三維模型成果[9];②貼近影像采集。貼近攝影采集數(shù)據(jù)有根據(jù)設(shè)計(jì)三維航線飛行和手動(dòng)遙控飛行兩種方式。前者是基于第三方航線規(guī)劃軟件,在粗模三維立體環(huán)境下進(jìn)行貼近飛行曝光點(diǎn)設(shè)計(jì)航線。后者則完全依靠技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)飛行采集影像。前者相對(duì)于后者,能夠保證貼近攝影影像均勻的重疊度,自動(dòng)化飛行程度高,避免漏拍,但設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意近地障礙物對(duì)無人機(jī)飛行的影響和近地飛行安全;③貼近攝影空中三角測(cè)量。貼近攝影影像導(dǎo)入建模軟件進(jìn)行密集匹配,從傾斜影像生成的粗模中選取明顯特征點(diǎn)作為貼近攝影空三加密控制點(diǎn),從而統(tǒng)一兩者的坐標(biāo)系；④空三成果融合。合并兩者的空三加密成果,實(shí)現(xiàn)加密點(diǎn)云的融合拼接；⑤融合精細(xì)化建模?；诤喜⒑蟮目杖用艹晒?使用建模軟件進(jìn)行精細(xì)化模型構(gòu)建。整體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 融合建模技術(shù)路線

3 融合建模試驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本次試驗(yàn)使用大疆M300多旋翼無人機(jī)搭載P1相機(jī)采集原始影像數(shù)據(jù)。常規(guī)傾斜影像獲取方案是：飛行高度120 m,航向重疊度80%,旁向重疊度70%,云臺(tái)角度為-45°;貼近攝影影像采集方案是：飛行高度2～64 m,距離建筑立面8 m左右,航向重疊度80%,旁向重疊度50%,鏡頭垂直于建筑立面,近地面鏡頭傾斜拍攝[10-11]。數(shù)據(jù)采集過程中,傾斜攝影、貼近攝影和像控點(diǎn)測(cè)量工作同時(shí)進(jìn)行,采集到的原始影像具有相似的光照效果,使融合建模效果達(dá)到最佳。兩種方案的航攝設(shè)計(jì)和曝光點(diǎn)設(shè)計(jì)見表1和圖3。

表1 兩種方案的航攝設(shè)計(jì)

圖3 兩種方案的曝光點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.2 空三加密

將無人機(jī)傾斜影像、貼近影像、控制點(diǎn)成果導(dǎo)入重建大師建模軟件中各自進(jìn)行空三加密。無人機(jī)傾斜影像使用地面控制點(diǎn)進(jìn)行平差,并生成粗模;貼近影像進(jìn)行密集匹配,從傾斜影像生成的粗模中選取明顯特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)輔助貼近攝影進(jìn)行空三加密,以保證兩者數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的空間參考基準(zhǔn)。提取特征點(diǎn)時(shí)選擇建筑立面盡量不少于3個(gè)面,位置選取盡量準(zhǔn)確。特征點(diǎn)坐標(biāo)提取見圖4。

圖4 特征點(diǎn)坐標(biāo)提取

3.3 空三成果融合

傾斜影像和貼近影像融合精細(xì)化建模的關(guān)鍵步驟是兩者空三成果的融合,即空三加密點(diǎn)的融合拼接,空三加密點(diǎn)融合的質(zhì)量直接影響到模型的精細(xì)程度。單一傾斜影像匹配點(diǎn)相對(duì)較稀疏,貼近影像匹配點(diǎn)較密集。在重建大師軟件中將兩者空三加密成果進(jìn)行合并,點(diǎn)融合前后的具體情況見圖5和圖6。

圖5 傾斜影像匹配點(diǎn)

圖6 融合后密集點(diǎn)

3.4 精細(xì)模型重建

根據(jù)已經(jīng)融合好的空三加密成果,利用重建大師軟件構(gòu)建TIN結(jié)構(gòu),對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化[12-15];在傾斜影像和貼近影像中選擇最佳的目標(biāo)影像進(jìn)行紋理映射與優(yōu)化,構(gòu)建精細(xì)三維模型時(shí)劃分小區(qū)域瓦片,通過多節(jié)點(diǎn)集群系統(tǒng)并行處理,完成三維模型重建。需要注意的是,融合后點(diǎn)云密度和影像像素大幅度增加,建模時(shí)對(duì)集群服務(wù)器的運(yùn)算能力和顯卡都有很高要求,應(yīng)適當(dāng)減小分塊避免建模失敗情況發(fā)生。融合前后三維模型對(duì)比情況如圖7所示。

(a)融合前

4 融合建模質(zhì)量評(píng)價(jià)

三維模型質(zhì)量主要包含位置精度、幾何完整性、邏輯一致性等。本文從模型精度、紋理結(jié)構(gòu)和精細(xì)度上對(duì)融合后模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

4.1 模型位置精度

為檢驗(yàn)融合建模模型的位置精度,采用RTK和全站儀實(shí)地測(cè)量11個(gè)檢查點(diǎn)作為檢核數(shù)據(jù),在DasViewer瀏覽軟件中,以實(shí)地測(cè)量的三維坐標(biāo)值與模型上采集的同名點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比。通過精度對(duì)比分析,融合后三維模型的平面位置中誤差m=0.030 1,高程中誤差mz=0.016 6,滿足CH/T9015—2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級(jí)1∶500成圖比例尺三維模型產(chǎn)品規(guī)定的平面中誤差小于0.3 m、高程中誤差小于0.5 m的要求。模型精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 模型精度統(tǒng)計(jì) 單位：m

4.2 模型紋理結(jié)構(gòu)及精細(xì)度

通過融合后模型與傾斜影像建立的三維模型這兩套模型的紋理結(jié)構(gòu)和精細(xì)度對(duì)比,可以直觀地看出：①融合建模模型地物幾何結(jié)構(gòu)更完整，尤其是建筑檐下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)真實(shí),極大程度地改善拉花、粘連、破洞現(xiàn)象;②融合后模型的紋理細(xì)節(jié)更細(xì)膩,清晰度有明顯提升;③融合后建筑模型后期修模工作大大減少。如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建模,采用貼近攝影影像和傾斜影像融合的建模方法,極大程度改善了常規(guī)傾斜影像存在的模型粘連、破洞、拉花等現(xiàn)象,融合后建筑模型尺寸、幾何結(jié)構(gòu)更加完整,模型紋理更加細(xì)膩,精細(xì)度有明顯提升,大大減少后期修模工作,建模效率得到整體提高。貼近攝影測(cè)量技術(shù)作為攝影測(cè)量發(fā)展的一個(gè)新的研究方向,貼近攝影影像和傾斜影像融合的建模方法在一定程度上解決了局部三維模型優(yōu)化問題,但在面對(duì)狹窄街道的老舊街區(qū)、高層建筑底部植被遮擋嚴(yán)重等復(fù)雜空間環(huán)境和大面積精細(xì)化建模任務(wù)時(shí),還存在一些困難和實(shí)際問題。因此,后續(xù)將會(huì)對(duì)復(fù)雜空間貼近攝影航線規(guī)劃、多技術(shù)組合應(yīng)用進(jìn)行大面積精細(xì)化建模等問題進(jìn)一步深入研究。