傾斜攝影數(shù)據(jù)_基于傾斜攝影和近攝技術(shù)（基于CC和DP-M的真實(shí)3D模型制作

簡介

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)水平不斷提高

隨著不斷的改進(jìn)

，當(dāng)今城市的發(fā)展正在從數(shù)字城市向智能城市發(fā)展。傳統(tǒng)的模擬三維模型無法滿足智能城市的規(guī)劃，建設(shè)和管理需求[1]。隨著無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，使用配備多視角鏡頭的無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影并快速生成城市的真實(shí)3D模型已成為獲取地面3D信息的重要手段[2]。盡管傾斜攝影技術(shù)具有真實(shí)性和元素豐富的優(yōu)勢[3]，但在3D真實(shí)場景的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多缺點(diǎn)，特別是在靠近地面和建筑物側(cè)面的細(xì)節(jié)表現(xiàn)方面，通常大面積的數(shù)據(jù)丟失和模糊。 ，花環(huán)等現(xiàn)象。本文從斜攝影測量法的缺點(diǎn)，斜攝影的有機(jī)融合和近距離攝影技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合建模的缺點(diǎn)入手，以彌補(bǔ)斜攝影測量法的局限性。然后，對斜角圖像模型丟失和模糊的細(xì)節(jié)進(jìn)行修復(fù)，以獲得具有更高清晰度和識別度的真實(shí)場景3D模型。

2傾斜和近距離攝影測量系統(tǒng)簡介

2.1傾斜攝影測量系統(tǒng)

傾斜攝影是近年來在測繪領(lǐng)域中開發(fā)的高科技。通過同時(shí)從一個垂直和四個傾斜鏡頭收集圖像，該技術(shù)可獲取豐富的地面高分辨率圖像信息。它不僅可以真實(shí)地反映地面物體的狀況，并以高精度獲取建筑物的紋理信息，而且還可以通過先進(jìn)的定位，融合，建模等技術(shù)生成真實(shí)的3D城市模型。傾斜攝影測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1傾斜攝影測量系統(tǒng)

2.2個近距離攝影測量系統(tǒng)

影像測量儀（vRTK）是近距離攝影測量領(lǐng)域的先驅(qū)產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用具有成熟RTK的單鏡頭在野外收集圖像數(shù)據(jù)和位置信息，并結(jié)合了野外專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件。它可以生成高精度的點(diǎn)坐標(biāo)，三維模型和其他視覺交互對象。近距離攝影測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2近距離攝影測量系統(tǒng)

3數(shù)據(jù)源分析

3.1斜攝影數(shù)據(jù)源分析

與傳統(tǒng)的航空攝影測量法相比，傾斜攝影測量法可以通過一次飛行獲得垂直，前后，左，右5個角度的地面圖像信息，同時(shí)獲得與每組被測對象相對應(yīng)的位置和姿態(tài)通過POS系統(tǒng)信息[5]獲取圖像，從而獲得用于真實(shí)場景3D建模的圖像和姿勢位置文件。通過這種方法獲得的數(shù)據(jù)是高度真實(shí)的，可測量的并且是全要素的。但是，由于建筑物等地面物體的遮擋和不同的攝像機(jī)角度，可能會丟失建筑物地面和側(cè)面附近的數(shù)據(jù)，并且可能無法清晰顯示細(xì)節(jié)。

3.2近距離攝影數(shù)據(jù)源分析

近距離攝影測量技術(shù)是一種相對成熟的技術(shù)。 vRTK是近距離攝影測量領(lǐng)域的先驅(qū)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的手持?jǐn)z像機(jī)相比，它使用RTK捕獲每個圖像。對應(yīng)于曝光圖像的高精度位置和姿勢信息消除了現(xiàn)場操作后對圖像控制點(diǎn)的需要。所捕獲的近地和建筑物側(cè)面元素?cái)?shù)據(jù)完整且細(xì)節(jié)清晰。這是對傾斜攝影獲得的圖像數(shù)據(jù)的補(bǔ)充測量，可以很好地修復(fù)近地面和建筑物側(cè)面的數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象。

4現(xiàn)實(shí)3D模型制作的總體技術(shù)過程

聯(lián)合制作實(shí)景3D模型空對地?cái)?shù)據(jù)的想法：以無人機(jī)傾斜攝影測量和地面近距離攝影測量系統(tǒng)為實(shí)景3D建模的基本數(shù)據(jù)，并使用vRTK 影像測量儀通過圖像方向獲取建筑物底部和側(cè)面數(shù)據(jù)，以獲取后續(xù)聯(lián)合建模所需的結(jié)果包，該結(jié)果包基于近距離攝影測量法前向相交[6]的原理，在“刺點(diǎn)”之后提取特征點(diǎn)坐標(biāo)分別用于傾斜圖像空中的三個解控制點(diǎn)的圖像，實(shí)現(xiàn)空地?cái)?shù)據(jù)坐標(biāo)系的統(tǒng)一，然后結(jié)合傾斜真實(shí)世界模型和地面vRTK數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)的單次建模建筑物模型，最后將單個模型重置為3D場景。機(jī)載斜攝影數(shù)據(jù)與近距離攝影數(shù)據(jù)結(jié)合處理的技術(shù)過程如圖3所示：

圖3數(shù)據(jù)聯(lián)合處理的技術(shù)過程

5現(xiàn)實(shí)生活中3D模型制作的實(shí)現(xiàn)

使用斜攝影和近距離攝影進(jìn)行實(shí)景3D聯(lián)合建模的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)源的空中三角剖分，斜圖像的真實(shí)3D模型的快速生成，真實(shí)3D模型的個性化和3D場景重建。

5.1數(shù)據(jù)源的空中三角剖分

為了確保可以自動配準(zhǔn)空中傾斜圖像和地面近距離圖像，采用統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系和高程參考。首先，需要為天線三計(jì)算地面近距離圖像，然后使用支持該儀器的VRT Access軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該程序可以自動完成組[7]中圖像的特征提取，特征匹配和空氣三重解決步驟，并導(dǎo)出已解析的空氣三重結(jié)果文件（圖像列表，相機(jī)內(nèi)部參數(shù)，外部方向元素）和變形的圖像，解決過程如圖4所示。

圖4近距離圖像求解過程

計(jì)算完成后，通過刺點(diǎn)法選擇兩個不同方向的圖像來收集特征點(diǎn)坐標(biāo)，并導(dǎo)出傾斜圖像空氣三解的圖像控制點(diǎn)的坐標(biāo)結(jié)果。選擇的特征點(diǎn)必須與傾斜圖像相符。地面圖像上直線與目標(biāo)圖像的交點(diǎn)清晰易懂，或者是房屋下部明顯的拐點(diǎn)。

5.2快速生成傾斜圖像的真實(shí)3D模型

ConTextCapture軟件是用于真實(shí)場景3D建模的廣泛使用的軟件。通過加載由采集終端采集的多視點(diǎn)圖像，它可以快速生成高分辨率的真實(shí)3D模型。它的優(yōu)勢包括該區(qū)域的整體3D重建以及數(shù)據(jù)處理過程具有全自動和高效的特點(diǎn)。同時(shí)還可以采用集群在線操作，大大減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。使用ConTextCapture進(jìn)行實(shí)景3D建模，首先加載POS數(shù)據(jù)和傾斜的圖像，并在控制點(diǎn)刺之后執(zhí)行傾斜圖像的聯(lián)合調(diào)整，準(zhǔn)確計(jì)算每個圖像的外部方向元素并生成高密度和高精度3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)根據(jù)點(diǎn)云，提取深度圖并構(gòu)建3D TIN。最后，根據(jù)3D TIN的空間位置，將圖像自動映射到紋理[8，9]，以便快速獲得傾斜的真實(shí)3D模型，如圖5所示。

圖5傾斜的真實(shí)3D模型

5.3個逼真的3D模型單一建模

傾斜的真實(shí)場景3D模型可以看作是覆蓋有高分辨率圖像的連續(xù)TIN三角測量網(wǎng)絡(luò)。在GIS管理和應(yīng)用中，不能單獨(dú)選擇傾斜照相模型中的對象并搜索其屬性，只能將圖像用作瀏覽的基本地圖，并且不能進(jìn)一步應(yīng)用。因此，有必要對傾斜的3D模型進(jìn)行分割。當(dāng)前，主要有兩種廣泛使用的分割方法：邏輯分割和物理分割。邏輯分割是指對象在傾斜的三維模型中的二維矢量底表面的簡單疊加，并且在渲染級別將建筑物，道路和其他要素單層疊加，并且矢量表面用作屬性附加的載體。實(shí)現(xiàn)諸如對象的個體管理和屬性查詢之類的功能。此方法只是對建筑物輪廓的矢量平面的簡單查詢。這并不是真正意義上單個單元的物理分離。物理單位化是指通過手動重建將建筑物，道路和其他對象物理隔離。重建后的實(shí)體可以進(jìn)行編輯，修改和附加屬性，以實(shí)現(xiàn)諸如查詢統(tǒng)計(jì)和分析之類的功能[10]。目前，可以實(shí)現(xiàn)物理統(tǒng)一的軟件主要包括DP-Modeler，Oblique Sketch等軟件，兩者均基于斜圖像模型，進(jìn)行建筑物的邊界提取，自動紋理匹配和3D模型?，F(xiàn)場重建等待過程。其中，DP-Modeler是中國較早的應(yīng)用程序，支持多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模軟件。本文以DP-Modeler為例，詳細(xì)介紹物理unit元建模的實(shí)現(xiàn)過程。

（1)物理單體建模技術(shù)過程。DP-Modeler是基于3D圖像的建模軟件，可以對傾斜圖像的自動建模結(jié)果進(jìn)行單體修改，并刪除懸浮的固體。[11]，精細(xì)模型可以獲得建筑物的外觀，其技術(shù)過程如圖6所示。

圖6單體化工藝流程

（2)物理單體建模過程。首先，加載空對地圖像的空對空三維加密結(jié)果以進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。基于傾斜的3D真實(shí)場景模型，勾勒出建筑物的輪廓在頂視圖模式下繪制輪廓并對其進(jìn)行編輯，調(diào)整，推動和拉至基準(zhǔn)平面以獲取主要建筑物模型，然后使用傾斜圖像和地面RTK圖像獲得建筑物的側(cè)面和底部結(jié)構(gòu)信息，并形成經(jīng)過編輯，推拉后具有明顯凹凸的結(jié)構(gòu)，在建筑物結(jié)構(gòu)完成后，使用可以收集建筑物紋理信息的功能，可以一鍵自動映射模型，頂部使用無人機(jī)垂直圖像映射將建筑物的側(cè)面和底部與傾斜圖像和地面RTK圖像的拍攝效果結(jié)合起來進(jìn)行人工干預(yù)以選擇映射，從而實(shí)現(xiàn)模型精化的統(tǒng)一效果，圖7（a）是方向圖t斜攝影的建模效果，而圖7（b）是組合的奇異建模效果。使用近攝攝影進(jìn)行建模后，您可以看到斜攝影建筑模型現(xiàn)象的側(cè)面得到了很好的修復(fù)，例如模糊，信息丟失和紋理繪制。

圖7精細(xì)單數(shù)化關(guān)節(jié)建模

5.4個真實(shí)的3D模型重建

基于DP-Modeler軟件對3D模型進(jìn)行精細(xì)分割，在傾斜的真實(shí)3D模型中繪制修改后的區(qū)域范圍線，并使用該模型進(jìn)行展平，刪除，重建等操作，以制作新的single將模型與場景合并，以形成可以單獨(dú)管理的精美的真實(shí)三維模型。從而達(dá)到將真實(shí)場景模型引入GIS應(yīng)用的目的。場景重構(gòu)前后的效果比較如圖8所示。

圖8前后場景重建的比較

6生產(chǎn)效率比較分析

當(dāng)前，傳統(tǒng)的建模技術(shù)主要分為以下四類：傳統(tǒng)的手動建模，3D激光掃描建模，數(shù)字近距離攝影測量建模和傾斜攝影測量建模。其中，傳統(tǒng)的3D建模通常使用3dsMax，AutoCAD等建模軟件根據(jù)CAD 2D矢量圖，圖像數(shù)據(jù)或手動拍攝的照片來估算建筑物的輪廓和高度信息影像測量儀，以進(jìn)行手動建模。用這種方法生產(chǎn)的模型外觀漂亮，但精度低，在生產(chǎn)過程中需要大量的人工參與，生產(chǎn)周期長。三維激光掃描技術(shù)可以快速影像測量儀，連續(xù)地掃描和測量觀察對象，并獲得對象表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方法具有非接觸，精度高的優(yōu)點(diǎn)。之后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)被注冊，減少噪聲，提取和打包。通過一系列操作來建立三角剖分模型，最后通過手動映射紋理信息獲得三維模型。

該方法不僅生產(chǎn)周期長，效率低，而且模型的映射質(zhì)量中等，適用于小規(guī)模詳細(xì)模型的構(gòu)建。數(shù)字近景攝影測量技術(shù)可以快速拍攝非接觸的平面地面物體，并通過一系列操作來構(gòu)建三維模型，例如自動匹配捕獲的圖像，三維計(jì)算，點(diǎn)云生成和紋理貼圖。該方法具有模型效果好，精度高的特點(diǎn)，但也存在建筑物盲角，不能頂頂?shù)娜秉c(diǎn)。傾斜圖像建模技術(shù)具有更廣泛的野外航拍操作范圍，低成本和高效率。內(nèi)部數(shù)據(jù)處理需要較少的計(jì)算機(jī)硬件配置。它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集群處理，更適合大規(guī)模的3D模型構(gòu)建。該方法還具有在建筑物的側(cè)面和底部不完整的信息收集的缺點(diǎn)。表1總結(jié)了以上四種建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

基于傾斜和近距離攝影測量的基本原理，本文詳細(xì)分析了傾斜和近距離攝影測量的三維建模技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，將傾斜攝影和近距離攝影有機(jī)地結(jié)合在一起，并使用統(tǒng)一的空間?；鶞?zhǔn)和坐標(biāo)系用于空地?cái)?shù)據(jù)的聯(lián)合分割模型。該方法可以在保證3D模型準(zhǔn)確性的同時(shí)，極大地提高3D模型的生產(chǎn)效率和顯示效果。與其他傳統(tǒng)建模技術(shù)相比，減少了模型生成時(shí)間。一半以上，所涉及的人員數(shù)量減少了2/3。目前，該方法還存在無人機(jī)飛行姿態(tài)受天氣影響較大等問題，需要配備PPK后差分處理系統(tǒng)以確保精度。在未來的實(shí)際項(xiàng)目中，也可以考慮通過機(jī)載3D激光掃描獲得的高精度。通過對斜攝影測量獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和建模，從而進(jìn)一步提高了模型的整體精度。

7個結(jié)論

在3D城市建設(shè)項(xiàng)目中，隨著3D城市建模需求和范圍的增加，UAV傾斜攝影測量圖像，自動航拍三項(xiàng)和建模技術(shù)的快速采集顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢。本文提出的基于傾斜和特寫攝影的真實(shí)世界3D模型制作方法已在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。在將建筑物重建為一個整體的同時(shí)，還修復(fù)了建筑物的側(cè)面和底部紋理，極大地改善了城市。 3D建模的生產(chǎn)效率和模型效果。分割后的精簡模型經(jīng)過附加屬性重置為傾斜真實(shí)3D模型，實(shí)現(xiàn)了傾斜真實(shí)3D模型的精細(xì)重構(gòu)和單一管理，為以后3D場景的深入行業(yè)應(yīng)用提供了方便。

本文轉(zhuǎn)載于2018年6月第三期《城市調(diào)查》