基于无人机倾斜摄影技术的三维精细模型制作

来源:《测绘通报》 作者:朱国强、刘勇、程鹏正 2016-10-26
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(天津腾云智航科技有限公司,天津,空港经济区,300300)

Made fine 3D model Based on the unmanned aerial vehicle (uav) oblique photogrammetry technology

 

摘要:随着无人机倾斜摄影技术的快速发展,对于精细三维场景制作的研究也在不断完善、不断深入。基于中海达自主研发的多旋翼无人机及倾斜相机,获取测区地面目标多视影像数据,利用武汉天际航公司软件处理体系,实现了模型可单体化管理的高精度三维场景制作,为基于无人机倾斜摄影技术的三维精细模型制作提供了一体化解决方案。

 

关键词:中海达;无人机;倾斜摄影技术;单体化;三维模型

 

一、引言

传统的三维建模一般都是基于遥感影像、CAD平面图和外业拍摄照片等数据,通过使用3dsMax、AutoCAD、SketchUp等建模软件进行人工建模。利用这种方式进行三维建模,纹理与实际纹理偏差较大,模型数据精度较低,需要大量的人工参与,模型时效性低,无法真正满足客户的需求。因此,对于精细三维模型的快速制作需求显得日益迫切。

近年来,随着无人机航空遥感技术的快速发展,无人机倾斜摄影技术应运而生。倾斜摄影技术是测绘领域近年来发展起来的一项高新技术,通过在同一飞行平台上搭载不同倾斜角度的多台传感器设备,同时采集同一地点垂直、倾斜等不同角度的多视影像数据,实现获取地面目标较为完整准确的空间信息。

随着倾斜摄影技术的快速发展,国内外很多单位、学者对三维模型的快速制作进行了研究,但目前大多数仍停留在大范围较粗糙三维场景的制作,无法真正做到三维模型的精细化、单体化制作。本文基于中海达无人机搭载倾斜摄影相机快速获取大范围、高分辨率的多视影像数据,利用DP-Smart软件快速获得测区三维场景,通过DP-Modeler软件实现单体化精细建模,实现了大范围三维精细模型的快速制作。

 

二、中海达无人机倾斜摄影系统

       中海达无人机倾斜摄影系统主要包括:iFly D1四旋翼无人机飞行平台、iCam Q5倾斜摄影相机、后处理软件系统。如下图1所示:

 

图1 无人机倾斜摄影系统

2.1 iFly D1四旋翼无人机

2016年,中海达无人机公司推出了iFly D1四旋翼无人机。iFly D1采用碳纤维复合材料加工制造工艺,具备手动、增稳、自主等多种飞行模式,操作简单,能适应多种复杂地理环境,为无人机倾斜摄影技术提供了低成本、高性能、高稳定性的专业航空摄影飞行平台。其详细性能参数如下表1所示:

 

表1 中海达iFly D1四旋翼无人机性能参数列表

2.2 iCam Q5专业倾斜相机

在iFly D1四旋翼无人机稳步推进和市场需求的推动下,中海达无人机公司紧接着推出了iCam Q5高分辨率、宽区域覆盖的专业倾斜摄影相机。其性能参数如下表2所示:


表2 iCam Q5倾斜相机性能参数列表

2.3 倾斜数据处理软件

倾斜摄影三维自动建模软件DP-Smart是一套基于从空地多源序列影像,全自动生成高分辨率三维模型的自动化建模软件。该软件基于摄影测量、计算机视觉及计算几何算法,支持全自动空三解算、密集点云生成、构建TIN网、自动纹理映射等步骤,实现三维模型的快速生成。

       倾斜摄影三维建模软件DP-Modeler是利用倾斜摄影可实现单张影像测量原理,在垂直影像上获取顶部结构,多视倾斜影像上获取房屋立面结构信息,对其进行推拉、编辑、调整得到精细的单体化模型。利用倾斜摄影建筑物侧面纹理可采集的特点,实现模型贴图自动从影像中采集,一键完成模型贴图。

图3 DP-Modeler软件建模模块特点

 

三、基于无人机倾斜摄影技术的三维重建

随着中海达多旋翼无人机和专业倾斜相机的相继推出,从测区多视影像获取到基于多视影像的精细三维场景重建都得到了很好的应用,实现了基于无人机倾斜摄影技术的精细三维场景重建。

3.1 技术流程

       基于无人机倾斜摄影技术,以中海达iFly D1四旋翼无人机为飞行平台,搭载iCam Q5倾斜摄影相机获取测区高分辨率多视影像,利用武汉天际航公司软件处理体系,获得精细三维模型数据。其总体技术流程如下图4所示:

图4 倾斜摄影技术流程图

3.2 多视影像数据获取

       利用iFly D1四旋翼无人机搭载iCam Q5倾斜摄影相机,在每个相机曝光位置上,同时从多个角度(前、后、左、右、上)采集地面目标影像,获取地面目标高分辨率多视影像数据,一方面可用于航空摄影测量处理,另一方面为后续三维模型制作提供丰富的纹理数据。

图5 倾斜相机多视影像获取

在数据采集时,为了保证测区多视数据的完整性和可靠性,应注意的事项主要包括:

  1. 航线设置应比测区范围多出一条航线,以确保能够获取测区范围边缘地物完整的纹理信息;
  2. 倾斜摄影数据的重叠率要求在65%以上,但为了保证倾斜摄影数据成图质量,航向重叠率、旁向重叠率一般设在75%以上;
  3. 航线高度一般是根据地面分辨率(GSD)来计算,iCam Q5倾斜摄影相机不宜超过120m,若有需要,则需重新调整倾斜相机传感器的相关设置来实现;
  4. 为了准确控制相机的曝光速度,倾斜相机多传感器一般采用固定焦距,相机设置为快门优先,以避免“漏片”现象。

 

3.3 基于DP-Smart软件生成三维场景

       在获取测区地面目标高分辨率多视影像数据的基础上,基于DP-Smart软件,对多视影像数据采用区域网平差方法进行空三加密计算,恢复影像在拍摄瞬间的空间位置与姿态;利用多视影像密集匹配技术获取影像的同名点坐标,进而获得对应地物高密度的三维点云;基于点云构建地物TIN模型,通过配准TIN模型的每一个三角面片与对应纹理影像,进行模型自动纹理映射,从而得到三维模型。

图6 基于DP-Smart软件构建三维场景流程图

基于DP-Smart等软件可快速自动生成三维场景,但生成的三维模型数据具有以下一些特点:

1)生成的三维场景是整体性的,不能实现模型的单体化制作,对模型后期应用有很大局限;

2)三维模型数据量较大,对于三维场景的加载、查看带来很多不便;

      3)三维模型精度较低,有些模型表面出现一些“漏洞”,有些模型边缘拉花很严重。由于在拍摄过程中,建筑物底部纹理很容易被其它地物遮挡,很难获取适宜的纹理,所以生成的建筑物模型底部拉花尤其严重。

图7 基于DP-Smart软件生成的建筑物模型侧面

3.4 精细三维场景生成

       单体化的模型成果数据分两种,一种是传统的3D MAX建模,一种是倾斜摄影半自动化的生产方式。基于DP-Smart软件生成的三维场景数据存在的一些问题,不能满足用户对于高精度三维模型的要求,本文基于DP-Modeler软件半自动化方式进行模型的单体化制作。以DP-Smart生成的OSG模型作为参考,在此基础上结合空地的影像来进行建模,实现基于多幅影像的快速、精确三维建模,达到模型与影像完全套合,使模型具有精确的三维坐标信息,实现模型贴图自动从影像中采集,一键完成模型贴图。

图8 单体化模型线框模式                         图9 单体化模型显示

在基于DP-Modeler软件对三维场景进行单体化建模后,通过模型踏平、删除、或重建等方式,对原有三维场景进行模型整饰,进而形成可单体化管理的高精度三维场景,其优势在于:

  1. 三维场景模型可单体化管理,为后期三维场景的应用提供了便利;
  2. 模型可准确、真实地反映建筑物局部细节,提升了用户体验的真实感;
  3. 相较传统人工建模,在保证三维模型精度的情况下,极大程度地提高了工作效率;
  4. 相较基于航空摄影技术的全自动三维建模,极大地提高了三维模型的精度。

四、实验与分析

       基于本文无人机倾斜摄影三维重建流程,对某市区和某园区进行了三维建模。利用航空摄影测量技术,经过自动空三、密集匹配等,生成了该区域的DOM。以采集的多视像片作为纹理材质,获得了测区的三维精细模型,分别如下图10、11所示:

图10 某市区三维场景重建局部(某小区)             图11 某园区三维场景重建

图11 某市区三维场景重建

通过实验可知,在利用iFly D1四旋翼无人机搭载iCam Q5倾斜摄影相机获取测区地面目标多视影像数据的基础上,利用DP-Smart软件快速获取测区三维场景数据,然后利用DP-Modeler软件建立单体化精细模型,可以快速实现三维模型的单体化、精细化制作。相较于传统利用3ds MAX等软件进行人工建模,模型精度更高,工作效率更高。

 

五、结语

随着航空倾斜摄影技术的快速发展,以及无人机飞行平台、倾斜相机等新型测绘装备的研发,基于无人机倾斜摄影的三维精细模型制作技术也在不断的完善与发展。本文利用中海达iFly D1四旋翼无人机搭载iCam Q5倾斜相机,在对某市区和某园区进行了多视影像数据采集的基础上,利用武汉天际航公司软件处理体系,实现了模型可单体化管理的高精度三维场景。

基于无人机倾斜摄影的三维模型制作是近几年的一大热点,呈现出快速发展之势,但仍然面临着巨大挑战。随着新型测绘装备和建模软件的不断改进与完善,用户对于模型精度、建模效率的需求,模型的单体化管理和应用,以及建模流程大众化等要求也越来越高,中海达腾云智航公司也将致力于此,不断努力改进、完善三维精细模型制作一体化解决方案,为智慧城市建设作出贡献。

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