無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模中的問(wèn)題

摘要:無(wú)人機(jī)傾斜影像制作三維模型，速度快、成本低，成為城市三維建模的首選。 而無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模中，數(shù)據(jù)冗余、模型 變形、影像缺失等多種問(wèn)題常常會(huì)影響建模效果。本文針對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模中的問(wèn)題，提出了一系列相應(yīng)的模型精細(xì)化 處理技術(shù)，使三維模型更加形象、逼真。

傾斜影像是同時(shí)從多個(gè)角度采集的影像數(shù)據(jù), 利用傾斜影像制作三維模型,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(wú)人機(jī)傾斜影像構(gòu)建的三維模型,為智慧城市建設(shè)及地形復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等提供了 全面、準(zhǔn)確、詳細(xì)的三維地理信息,廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。 然而，無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模實(shí)踐中, 在影像預(yù)處理、空中三角測(cè)量、模型建立后等各技術(shù) 環(huán)節(jié),還存在數(shù)據(jù)冗余、模型變形、影像缺失等多種 問(wèn)題。

筆者針對(duì)這些問(wèn)題,提出了一系列相應(yīng)的技術(shù)措施,使無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模實(shí)現(xiàn)了模型精細(xì)化。

１ 無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù) 預(yù)處理、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、紋理映 射等[２]。

傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要為格式轉(zhuǎn)換、旋 轉(zhuǎn)影像、畸變差改正和增強(qiáng)處理?？罩腥菧y(cè)量是以航空像片上量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù),采用嚴(yán)密的 數(shù)學(xué)模型,按最小二乘法原理,采用少量地面控制點(diǎn) 為平差條件,快速求解影像的定向及地面點(diǎn)加密問(wèn) 題[３]。

傾斜影像的空三解算是將傾斜影像轉(zhuǎn)換為正射影像的過(guò)程,包括影像預(yù)處理、影像聯(lián)合平差、 基于特征點(diǎn)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于像方灰度的匹配算 法,如相關(guān)函數(shù)法、協(xié)方差函數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法、差平 方和法、差絕對(duì)值法、最小二乘影像匹配法等，還有一種影像匹配方法是基于像方特征的匹配算法,如 金字塔多級(jí)影像匹配算法、ＳＩＦＴ算法等[４]。

ＳＩＦＴ算 法在特征點(diǎn)提取的數(shù)量上有明顯的優(yōu)勢(shì),是從一幅 圖像中根據(jù)設(shè)定的閾值找到一個(gè)局部特征向量集, 可以很好地進(jìn)行局部目標(biāo)的識(shí)別與匹配存在較大變 形如旋轉(zhuǎn)、縮放、尺度改變的影像。

紋理映射是三維 模型制作流程的最后一步,也是增強(qiáng)模型視覺(jué)效果 的關(guān)鍵。 通俗地講,紋理映射就是二維到三維的映 射關(guān)系。

將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過(guò)程,其實(shí)質(zhì)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(gè)映射關(guān)系[５]。

復(fù)雜的三維模型具有復(fù)雜的表面,需要多幅來(lái)自不 同視點(diǎn)的影像作為紋理圖,才能為整個(gè)模型進(jìn)行紋理映射。

２ 三維建模的問(wèn)題及三維模型的精細(xì)化處理

２.１ 影像預(yù)處理

２.１.１ 影像畸變差校正

由于相機(jī)中心投影的特性,焦平面上不同區(qū)域 對(duì)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(duì)像片質(zhì) 量影響不大,但是如果建筑物畸變太嚴(yán)重會(huì)歪曲拍 攝實(shí)物的幾何特征,需要對(duì)像片進(jìn)行畸變校正。 影像畸變差校正的方法是:打開(kāi)ＭａｐＭａｔｒｉｘ 軟 件—工具—數(shù)碼相機(jī)影像校正,然后打開(kāi)去畸變工 具—添加影像—填寫(xiě)校正參數(shù)—校正。校正界面如圖1所示

參數(shù)設(shè)置包括:坐標(biāo)及單位定義、分辨率、成像 中心、校正參數(shù)、添加影像、網(wǎng)格大小、畸變?nèi)コ?設(shè)置好上述參數(shù)并檢查無(wú)誤后,點(diǎn)擊“校正”按 鈕,即可進(jìn)行畸變差去除,完成后可在輸出文件夾生 成校正好的ＴＩＦ和ＴＦＷ文件。

(１) 用相機(jī)檢校參數(shù)填寫(xiě)見(jiàn)表１。

(２) 用Ｐｉｘ４Ｄ自檢校參數(shù)填寫(xiě)見(jiàn)表２。

２.１.２ 數(shù)據(jù)冗余與數(shù)據(jù)篩選方案

由于傾斜影像建模需要獲取側(cè)面紋理信息,且 實(shí)際地物情況復(fù)雜,因此,航攝重疊度設(shè)計(jì)偏高,采 集的影像數(shù)據(jù)量龐大,存在很大數(shù)據(jù)冗余[６]。 為了高效、快速建模就必須對(duì)影像進(jìn)行篩選。

數(shù)據(jù)篩選具體方法為:首先對(duì)研究區(qū)域獲取的 ＰＯＳ數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯(ＰＯＳ數(shù)據(jù)編輯器),然后保存并 生成 ＫＭＬ 文件,其次將 ＫＭＬ 文件導(dǎo)入到 ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ中編輯屬性,更改圖標(biāo)、顏色(如圖２ 所示), 并把航線和影像設(shè)置為“貼于地面”(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(shè)置為“貼 于地面”,根據(jù)所需區(qū)域判斷該區(qū)域上方有哪幾張 影像,然后選擇離它最近的影像。 如圖３橢圓區(qū)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(cè)量

２.２.１ 模型變形及模型精細(xì)化處理

空中三角測(cè)量像片缺失是由于像片及ＰＯＳ參 數(shù)質(zhì)量問(wèn)題,匹配時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤,導(dǎo)致建模后期存在空 洞或模型變形。 像片缺失如圖４所示,圖中用圈圈 起來(lái)的是缺失的像片,模型變形如圖５所示。

針對(duì)空中三角測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的模型變形,模型精 細(xì)化的處理方法有兩種。 第一種方法為:

(１) 將像控點(diǎn)刺于相應(yīng)像片中,同一地物至少 出現(xiàn)在３張像片上,像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰, 易于判刺和立體量測(cè)。 像控點(diǎn)點(diǎn)位如圖６所示。

(２) 區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)方案為:對(duì)于兩條和兩條以上 的平行航線采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí),要求如下: ａ. 航向相鄰平面控制點(diǎn)間隔基線數(shù)可參照 式(１)進(jìn)行估算[７]

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

ｃ. 航向相鄰高程控制點(diǎn)間隔基線數(shù)可參照 式(２)進(jìn)行估算[８]

式中,ｍｈ 為連接點(diǎn)(空三加密點(diǎn))的高程中誤差,單位為米(ｍ)；Ｈ 為相對(duì)航高,單位為米(ｍ))；ｂ 為像片 基線長(zhǎng)度,單位為毫米(ｍｍ))；ｎ 為航線方向相鄰平 面控制點(diǎn)的間隔基線數(shù)。 通過(guò)對(duì)航片刺入控制點(diǎn),保證一個(gè)控制點(diǎn)至少 出現(xiàn)在３張像片上,像片刺控制點(diǎn)如圖７所示。 然 后進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算像片的位置姿態(tài)參數(shù),找 回丟失的航片,對(duì)于邊緣丟失的航片,選擇繼續(xù)通過(guò) 刺入控制點(diǎn)找回航片或?qū)⒑狡瑒h除,完成空中三角 測(cè)量航片缺失及模型變形問(wèn)題的處理,處理好的模 型如圖８所示。

第二種方法為:對(duì)于帶狀測(cè)區(qū),可以采用分區(qū)建模的方法進(jìn)行空中三角測(cè)量,然后進(jìn)行三維重建,最 后利用相鄰區(qū)域公共點(diǎn)對(duì)各區(qū)域的模型進(jìn)行接邊, 可防止模型變形。 圖９為分區(qū)域建模的結(jié)果,圖１０ 為分區(qū)建模合成的結(jié)果。

２.２.２ 不同建模方法比較

方法１:已經(jīng)過(guò)畸變的像片加原始ＰＯＳ數(shù)據(jù)(經(jīng) 緯度數(shù)據(jù)＋ＨＰＲ角元素系統(tǒng))。

方法２:未經(jīng)過(guò)畸變的像片加原始ＰＯＳ數(shù)據(jù)(經(jīng) 緯度數(shù)據(jù)＋ＨＰＲ角元素系統(tǒng))加畸變參數(shù)。

方法３:已經(jīng)過(guò)畸變的像片加像片外方位元素 (ＸＹＺ＋ＤＰＫ角元素系統(tǒng)),然后在Ｓｍａｒｔ三維中進(jìn)行 空三加密,空三Ｓｅｔｔｉｎｇ步,選擇“ａｄｊｕｓｔ”。

方法４:已經(jīng)過(guò)畸變的像片加像片外方位元素, 然后在Ｓｍａｒｔ三維中進(jìn)行空三加密,空三Ｓｅｔｔｉｎｇ步, 選擇“ｃｏｍｐｕｔｅ”。

試驗(yàn)１:利用同一測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù),運(yùn)用方法１、方 法３、方法４在Ｓｍａｒｔ三維軟件中分別進(jìn)行空中三角 測(cè)量。 方法１用時(shí)最長(zhǎng),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(shí) １ｈ,空三加密成果無(wú)變形,像片丟失２ 張,如圖１２ 所示。 方法４用時(shí)２.５ｈ,空三加密成果無(wú)變形,像 片丟失１１張。 通過(guò)對(duì)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(jìn)行三維建模。

試驗(yàn)２:利用同一測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù),運(yùn)用方法１、方 法２在Ｓｍａｒｔ三維軟件中分別進(jìn)行空中三角測(cè)量。 利用方法１進(jìn)行空三的過(guò)程中用時(shí)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(biāo)出來(lái)的地方。 因?yàn)楣战翘幍南衿儽?較大,因此應(yīng)該刪除拐角處的像片,然后再進(jìn)行空中 三角測(cè)量。 利用方法 ２ 進(jìn)行空三的過(guò)程中用時(shí) ８.５ｈ,像片丟失１９張,而且模型變形嚴(yán)重,如圖１４ 所示。 通過(guò)比較,方法１效果較好,因此在進(jìn)行三維 建模時(shí),可以首先對(duì)像片進(jìn)行畸變校正。

利用Ｓｍａｒｔ三維進(jìn)行三維建模,各種數(shù)據(jù)來(lái)源 主要包括相機(jī)(單鏡頭、五鏡頭)、像片(經(jīng)過(guò)畸變的 像片、未經(jīng)過(guò)畸變的像片)、ＰＯＳ數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度＋ＨＰＲ 角元素系統(tǒng)、差分ＰＯＳ、經(jīng)過(guò)空三加密獲取的外方位 元素)、像控點(diǎn)(ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ、ＲＴＫ)。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)１、試驗(yàn)２的對(duì)比,得出五鏡頭相機(jī) 獲取的數(shù)據(jù)＋經(jīng)過(guò)畸變校正的像片＋經(jīng)過(guò)空三加密得出的外方位元素＋使用ＲＴＫ測(cè)得的像控點(diǎn)方法, 三維建模精度最高且用時(shí)最短。

２.３ 模型變形與紋理缺失的模型精細(xì)化處理

２.３.１ 模型變形與紋理缺失

傾斜影像獲取數(shù)據(jù)的死角或數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)不足的 地方,在模型匹配時(shí)會(huì)造成模型扭曲變形,主要是建 筑物或地物的底腳部位[９]。 房屋結(jié)構(gòu)變形如圖１５ 所示。 水面、玻璃等表面無(wú)或少紋理,匹配不到特征 點(diǎn)而產(chǎn)生漏洞,如圖１６所示。 旗桿、鐵塔、路燈、小 于一定厚度的廣告牌等,由于匹配截面過(guò)小,不能產(chǎn) 生足夠多的特征點(diǎn),從而造成模型缺失,路燈變形如 圖１７所示。

２.３.２ 模型精細(xì)化處理

使用ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ軟件采用高分辨率的航空影像 通過(guò)透視成像原理,快速提取建筑物輪廓,自動(dòng)紋理 映射,完成建模[１０￣１１]。 其中通過(guò)傾斜影像多角度觀 測(cè)建模,模型和影像完全套合,模型具有精確的三維 坐標(biāo)信息,實(shí)現(xiàn)了模型貼圖自動(dòng)從影像中采集,一鍵 完成模型貼圖[１２]。 通過(guò)創(chuàng)建多級(jí)金字塔的影像結(jié) 構(gòu),支持超過(guò)一億像素的影像無(wú)縫調(diào)度,可以自動(dòng)生 成真正射影像,修正建筑物的投影差,消除遮擋陰影 的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ｓｍａｒｔ三維自動(dòng)建模中模型變形 的精細(xì)化處理。

(１)Ｓｍａｒｔ三維輸出的數(shù)據(jù)格式為ＯＳＧＢ格式, ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ無(wú)法直接讀取 ＯＳＧＢ 格式的數(shù)據(jù),因此 需要通過(guò)ｏｓｇＣｏｎｖ軟件將ＯＳＧＢ格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ可以識(shí)別的ＯＳＧＢ格式。

(２) 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ中進(jìn)行模型精細(xì)化 處理。 對(duì)于模型不精細(xì)或變形的地方,通過(guò)“平面 選擇”工具,選擇需要修飾的模型范圍,然后通過(guò)重 建工具,進(jìn)行模型重建,設(shè)置內(nèi)收值,完成地面的 縫補(bǔ)。

(３) 在三維視圖中,顯示刪除的Ｍｅｓｈ,根據(jù)顯 示的Ｍｅｓｈ在三維自由視圖中,通過(guò)制作模型、自動(dòng) 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(jī)布局視圖,其中不同灰 度的點(diǎn)分別代表垂直影像、該范圍內(nèi)的傾斜影像、計(jì) 算機(jī)優(yōu)先選擇的影像。

(４) 在紋理自動(dòng)映射步驟,若紋理不清晰或不 完整,可以將該影像直接導(dǎo)入ＰＳ中進(jìn)行處理,處理 完后,再導(dǎo)入ＤＰＭｏｄｅｌｅｒ中進(jìn)行紋理映射。 房屋精 細(xì)化處理結(jié)果如圖１９所示,水面精細(xì)化處理結(jié)果如 圖２０所示。

(５) 對(duì)于鐵塔、路燈、旗桿、小于一定厚度的廣 告牌,處理方法為在Ｓｍａｒｔ三維中導(dǎo)出為ＯＢＪ格式 的數(shù)據(jù),然后導(dǎo)入３ｄｓＭａｘ中進(jìn)行模型精細(xì)化處理, 完成制作模型與紋理映射步驟,最后再導(dǎo)入 Ｓｍａｒｔ 三維中。 路燈精細(xì)化處理結(jié)果如圖２１所示。

２.４ 模型側(cè)面缺失紋理信息的處理方法

若測(cè)區(qū)四面環(huán)山,會(huì)造成測(cè)區(qū)高差較大,無(wú)人機(jī) 拍攝影像具有一定難度,因此只能用單鏡頭的相機(jī) 俯視拍攝。 由于影像數(shù)據(jù)是從空中俯視拍攝的,模 型缺少側(cè)面紋理信息,導(dǎo)致地面低處模型不完整。為彌補(bǔ)這一不足,可以利用地面拍攝影像與俯視拍 攝結(jié)合進(jìn)行影像的獲取。

針對(duì)模型側(cè)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(jìn)行三維建模,然后 替換單鏡頭俯視拍攝的建模成果,進(jìn)行空地融合。

(２) 在低空對(duì)模型欠佳的地區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜 影像采集,對(duì)于植被覆蓋區(qū),進(jìn)行正射影像采集,由 于高差較大,可對(duì)有房子的地區(qū)進(jìn)行低空傾斜影像 的采集,確保地物紋理完整。

３ 結(jié) 語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行三維模型制作是目前 廣泛采用的三維建模方式,本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜 影像三維建模實(shí)踐中經(jīng)常遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析,提出了一系列的三維模型精細(xì)化處理方法,以期對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模實(shí)踐有一定的參考和借鑒的價(jià)值。