無人機傾斜影像三維建模中的模型精細化

摘要:無人機傾斜影像製作三維模型，速度快、成本低，成為城市三維建模的首選。 而無人機傾斜影像三維建模中，數據冗餘、模型 變形、影像缺失等多種問題常常會影響建模效果。本文針對無人機傾斜影像三維建模中的問題，提出了一系列相應的模型精細化 處理技術，使三維模型更加形象、逼真。

關鍵詞:無人機傾斜影像 三維建模 模型變形 影像缺失 模型精細化

傾斜影像是同時從多個角度採集的影像數據, 利用傾斜影像製作三維模型,不僅使高昂的三維建 模成本大大降低,而且有效提升了三維建模的速度 和效率。

目前,無人機傾斜影像構建的三維模型,為智慧城市建設及地形複雜的地質災害監測等提供了 全面、準確、詳細的三維地理信息,廣泛應用於多個領域。 然而，無人機傾斜影像三維建模實踐中, 在影像預處理、空中三角測量、模型建立後等各技術 環節,還存在數據冗餘、模型變形、影像缺失等多種 問題。

筆者針對這些問題,提出了一系列相應的技術措施,使無人機傾斜影像三維建模實現了模型精細化。

１ 無人機傾斜影像三維建模的關鍵技術

無人機傾斜影像三維建模的關鍵技術包括數據 預處理、空中三角測量、多視影像密集匹配、紋理映 射等[２]。

傾斜影像數據預處理主要為格式轉換、旋 轉影像、畸變差改正和增強處理。空中三角測量是以航空像片上量測的像點坐標為依據,採用嚴密的 數學模型,按最小二乘法原理,採用少量地面控制點 為平差條件,快速求解影像的定向及地面點加密問 題[３]。

傾斜影像的空三解算是將傾斜影像轉換為正射影像的過程,包括影像預處理、影像聯合平差、 基於特徵點的影像匹配和正射影像的生成等步驟。

通常所用的影像匹配方法有基於像方灰度的匹配算 法,如相關函數法、協方差函數法、相關係數法、差平 方和法、差絕對值法、最小二乘影像匹配法等，還有一種影像匹配方法是基於像方特徵的匹配演算法,如 金字塔多級影像匹配演算法、ＳＩＦＴ演算法等[４]。

ＳＩＦＴ算 法在特徵點提取的數量上有明顯的優勢,是從一幅 圖像中根據設定的閾值找到一個局部特徵向量集, 可以很好地進行局部目標的識別與匹配存在較大變 形如旋轉、縮放、尺度改變的影像。

紋理映射是三維 模型製作流程的最後一步,也是增強模型視覺效果 的關鍵。 通俗地講,紋理映射就是二維到三維的映 射關係。

將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程,其實質是建立從屏幕空間到紋理 空間及紋理空間到景物空間的兩個映射關係[５]。

複雜的三維模型具有複雜的表面,需要多幅來自不 同視點的影像作為紋理圖,才能為整個模型進行紋理映射。

２ 三維建模的問題及三維模型的精細化處理

２.１　 影像預處理

２.１.１　 影像畸變差校正

由於相機中心投影的特性,焦平面上不同區域 對影像的放大率不同而造成像片中心至像片邊緣的 變形依次增大。一般情況下,輕微的畸變對像片質 量影響不大,但是如果建築物畸變太嚴重會歪曲拍 攝實物的幾何特徵,需要對像片進行畸變校正。 影像畸變差校正的方法是:打開ＭａｐＭａｔｒｉｘ 軟 件—工具—數碼相機影像校正,然後打開去畸變工 具—添加影像—填寫校正參數—校正。校正界面如圖1所示

參數設置包括:坐標及單位定義、解析度、成像 中心、校正參數、添加影像、網格大小、畸變去除。 設置好上述參數並檢查無誤後,點擊「校正」按 鈕,即可進行畸變差去除,完成後可在輸出文件夾生 成校正好的ＴＩＦ和ＴＦＷ文件。

(１) 用相機檢校參數填寫見表１。

(２) 用Ｐｉｘ４Ｄ自檢校參數填寫見表２。

２.１.２　 數據冗餘與數據篩選方案

由於傾斜影像建模需要獲取側面紋理信息,且 實際地物情況複雜,因此,航攝重疊度設計偏高,采 集的影像數據量龐大,存在很大數據冗餘[６]。 為了高效、快速建模就必須對影像進行篩選。

數據篩選具體方法為:首先對研究區域獲取的 ＰＯＳ數據進行編輯(ＰＯＳ數據編輯器),然後保存並 生成 ＫＭＬ 文件,其次將 ＫＭＬ 文件導入到 ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ中編輯屬性,更改圖標、顏色(如圖２ 所示), 並把航線和影像設置為「貼於地面」(如圖３所示), 以便挑選。

挑選原則主要是將航線與影像高度設置為「貼 於地面」,根據所需區域判斷該區域上方有哪幾張 影像,然後選擇離它最近的影像。 如圖３橢圓區域, 可以在保證重疊度的前提下選擇 ＤＳＣ５０２１４.ｊｐｇ、 ＤＳＣ５０１７３.ｊｐｇ、ＤＳＣ５０２１５. ｊｐｇ、ＤＳＣ５０２１３. ｊｐｇ 和 ＤＳＣ５０２５０.ｊｐｇ這５張影像。

２.２　 空中三角測量

２.２.１　 模型變形及模型精細化處理

空中三角測量像片缺失是由於像片及ＰＯＳ參 數質量問題,匹配時出現錯誤,導致建模後期存在空 洞或模型變形。 像片缺失如圖４所示,圖中用圈圈 起來的是缺失的像片,模型變形如圖５所示。

針對空中三角測量時出現的模型變形,模型精 細化的處理方法有兩種。 第一種方法為:

(１) 將像控點刺於相應像片中,同一地物至少 出現在３張像片上,像片控制點的目標影像應清晰, 易於判刺和立體量測。 像控點點位如圖６所示。

(２) 區域網布點方案為:對於兩條和兩條以上 的平行航線採用區域網布點時,要求如下: ａ. 航向相鄰平面控制點間隔基線數可參照 式(１)進行估算[７]

式中,ｍｓ 為連接點(空三加密點)的平面中誤差,單 位為毫米)；Ｋ 為像片放大成圖的倍數)；ｍｑ 為視差量 測的單位權中誤差,單位為毫米)；ｎ 為航線方向相鄰 平面控制點的間隔基線數。 ｂ. 旁向相鄰平面控制點的航線跨度見表３。

ｃ. 航向相鄰高程式控制制點間隔基線數可參照 式(２)進行估算[８]

式中,ｍｈ 為連接點(空三加密點)的高程中誤差,單位為米(ｍ)；Ｈ 為相對航高,單位為米(ｍ))；ｂ 為像片 基線長度,單位為毫米(ｍｍ))；ｎ 為航線方向相鄰平 面控制點的間隔基線數。 通過對航片刺入控制點,保證一個控制點至少 出現在３張像片上,像片刺控制點如圖７所示。 然 後進行空中三角測量計算像片的位置姿態參數,找 回丟失的航片,對於邊緣丟失的航片,選擇繼續通過 刺入控制點找回航片或將航片刪除,完成空中三角 測量航片缺失及模型變形問題的處理,處理好的模 型如圖８所示。

第二種方法為:對於帶狀測區,可以採用分區建模的方法進行空中三角測量,然後進行三維重建,最 後利用相鄰區域公共點對各區域的模型進行接邊, 可防止模型變形。 圖９為分區域建模的結果,圖１０ 為分區建模合成的結果。

２.２.２　 不同建模方法比較

方法１:已經過畸變的像片加原始ＰＯＳ數據(經 緯度數據＋ＨＰＲ角元素系統)。

方法２:未經過畸變的像片加原始ＰＯＳ數據(經 緯度數據＋ＨＰＲ角元素系統)加畸變參數。

方法３:已經過畸變的像片加像片外方位元素 (ＸＹＺ＋ＤＰＫ角元素系統),然後在Ｓｍａｒｔ三維中進行 空三加密,空三Ｓｅｔｔｉｎｇ步,選擇「ａｄｊｕｓｔ」。

方法４:已經過畸變的像片加像片外方位元素, 然後在Ｓｍａｒｔ三維中進行空三加密,空三Ｓｅｔｔｉｎｇ步, 選擇「ｃｏｍｐｕｔｅ」。

試驗１:利用同一測區的數據,運用方法１、方 法３、方法４在Ｓｍａｒｔ三維軟體中分別進行空中三角 測量。 方法１用時最長,為５.５ｈ,且空三加密成果變形,像片丟失 ４ 張,如圖 １１ 所示。方法 ３ 用時 １ｈ,空三加密成果無變形,像片丟失２ 張,如圖１２ 所示。 方法４用時２.５ｈ,空三加密成果無變形,像 片丟失１１張。 通過對３種方法的比較,方法３效果 最好,因此在有外方位元素的前提下,可以直接利用 方法３進行三維建模。

試驗２:利用同一測區的數據,運用方法１、方 法２在Ｓｍａｒｔ三維軟體中分別進行空中三角測量。 利用方法１進行空三的過程中用時６.５ｈ,像片丟失 １５張,而且丟失的像片全部為航線拐角處,如圖１３ 中用圓圈標出來的地方。 因為拐角處的像片畸變比 較大,因此應該刪除拐角處的像片,然後再進行空中 三角測量。 利用方法 ２ 進行空三的過程中用時 ８.５ｈ,像片丟失１９張,而且模型變形嚴重,如圖１４ 所示。 通過比較,方法１效果較好,因此在進行三維 建模時,可以首先對像片進行畸變校正。

利用Ｓｍａｒｔ三維進行三維建模,各種數據來源 主要包括相機(單鏡頭、五鏡頭)、像片(經過畸變的 像片、未經過畸變的像片)、ＰＯＳ數據(經緯度＋ＨＰＲ 角元素系統、差分ＰＯＳ、經過空三加密獲取的外方位 元素)、像控點(ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ、ＲＴＫ)。

通過對試驗１、試驗２的對比,得出五鏡頭相機 獲取的數據＋經過畸變校正的像片＋經過空三加密得出的外方位元素＋使用ＲＴＫ測得的像控點方法, 三維建模精度最高且用時最短。

２.３　 模型變形與紋理缺失的模型精細化處理

２.３.１　 模型變形與紋理缺失

傾斜影像獲取數據的死角或數據點關聯不足的 地方,在模型匹配時會造成模型扭曲變形,主要是建 築物或地物的底腳部位[９]。 房屋結構變形如圖１５ 所示。 水面、玻璃等表面無或少紋理,匹配不到特徵 點而產生漏洞,如圖１６所示。 旗杆、鐵塔、路燈、小 於一定厚度的廣告牌等,由於匹配截面過小,不能產 生足夠多的特徵點,從而造成模型缺失,路燈變形如 圖１７所示。

２.３.２　 模型精細化處理

使用ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ軟體採用高解析度的航空影像 通過透視成像原理,快速提取建築物輪廓,自動紋理 映射,完成建模[１０￣１１]。 其中通過傾斜影像多角度觀 測建模,模型和影像完全套合,模型具有精確的三維 坐標信息,實現了模型貼圖自動從影像中採集,一鍵 完成模型貼圖[１２]。 通過創建多級金字塔的影像結 構,支持超過一億像素的影像無縫調度,可以自動生 成真正射影像,修正建築物的投影差,消除遮擋陰影 的問題,實現了對Ｓｍａｒｔ三維自動建模中模型變形 的精細化處理。

(１)Ｓｍａｒｔ三維輸出的數據格式為ＯＳＧＢ格式, ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ無法直接讀取 ＯＳＧＢ 格式的數據,因此 需要通過ｏｓｇＣｏｎｖ軟體將ＯＳＧＢ格式的數據轉化為 ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ可以識別的ＯＳＧＢ格式。

(２) 將數據導入ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ中進行模型精細化 處理。 對於模型不精細或變形的地方,通過「平面 選擇」工具,選擇需要修飾的模型範圍,然後通過重 建工具,進行模型重建,設置內收值,完成地面的 縫補。

(３) 在三維視圖中,顯示刪除的Ｍｅｓｈ,根據顯 示的Ｍｅｓｈ在三維自由視圖中,通過製作模型、自動 紋理映射步驟完成模型的重建,如圖１８所示。

圖１８中,最左邊為相機布局視圖,其中不同灰 度的點分別代表垂直影像、該範圍內的傾斜影像、計 算機優先選擇的影像。

(４) 在紋理自動映射步驟,若紋理不清晰或不 完整,可以將該影像直接導入ＰＳ中進行處理,處理 完後,再導入ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ中進行紋理映射。 房屋精 細化處理結果如圖１９所示,水面精細化處理結果如 圖２０所示。

(５) 對於鐵塔、路燈、旗杆、小於一定厚度的廣 告牌,處理方法為在Ｓｍａｒｔ三維中導出為ＯＢＪ格式 的數據,然後導入３ｄｓＭａｘ中進行模型精細化處理, 完成製作模型與紋理映射步驟,最後再導入 Ｓｍａｒｔ 三維中。 路燈精細化處理結果如圖２１所示。

２.４　 模型側面缺失紋理信息的處理方法

若測區四面環山,會造成測區高差較大,無人機 拍攝影像具有一定難度,因此只能用單鏡頭的相機 俯視拍攝。 由於影像數據是從空中俯視拍攝的,模 型缺少側面紋理信息,導致地面低處模型不完整。為彌補這一不足,可以利用地面拍攝影像與俯視拍 攝結合進行影像的獲取。

針對模型側面缺失紋理信息處理方法有兩種:

(１) 利用地面拍攝的影像進行三維建模,然後 替換單鏡頭俯視拍攝的建模成果,進行空地融合。

(２) 在低空對模型欠佳的地區進行無人機傾斜 影像採集,對於植被覆蓋區,進行正射影像採集,由 於高差較大,可對有房子的地區進行低空傾斜影像 的採集,確保地物紋理完整。

３ 結　 語

利用無人機傾斜影像進行三維模型製作是目前 廣泛採用的三維建模方式,本文通過對無人機傾斜 影像三維建模實踐中經常遇到的問題進行分析,提出了一系列的三維模型精細化處理方法,以期對無人機傾斜影像三維建模實踐有一定的參考和借鑒的價值。

來源：《測繪通報》

作者：邱春霞 董乾坤 劉榮華 雷蕾

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