倾斜摄影测量在实景三维建模中的关键技术研究


倾斜摄影技术是近年来遥感领域中研发的新技术,不仅能够真实地反映出地理信息,还可通过定位技术、地理信息等,提高航拍影像的处理速度,建立三维模型。而智慧城市的建设过程需要三维模型的支撑,因此将倾斜摄影测量技术应用在智慧城市中具有十分重要的作用。文章重点就倾斜摄影测量在实景三维建模中的关键技术进行研究分析,以供参考和借鉴。

倾斜摄影测量

三维城市运用描述城市地上景观的三维模型来表达数字城市空间信息,是表达城市信息的重要载体,对城市规划、建设、管理和应急响应有着及其重要的作用,三维城市已经展现出其较高的经济价值和应用潜力。传统的三维城市模型生产制作是结合遥感影像图和地形图,得到精确的、可靠性强的建筑物模型、道路模型及其他景观小品模型,将组成城市要件的各类三维模型集成为三维城市场景,这种方法适合于普通精度的三维城市建模,但是对于高精度、高仿真、大区域的建模,传统方法势必需要投入更多的作业人员,其建模速度、效率以及时效难以满足三维城市的应用。

1、倾斜摄影测量概述

1.1 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像,将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。拍摄相片时同时记录航高、旁向重叠度、GPS坐标数据等,为后续三维建模的分析整理提供有利条件。

倾斜摄影测量技术

1.2 倾斜摄影技术特点

无人机倾斜摄影测量技术应用于构建三维城市,具有以下特点:第一,可操作性强。获取数据途径简便快捷,后续无需作业人员再次现场拍摄;数据处理主要通过计算机软件解算,自动化程度高;第二,三维模型更接近真实场景。相比于只从垂直角度拍摄的正射影像,大量倾斜影像可提供建筑物多角度纹理信息,补充地物的侧面细节,使建模效果符合人眼真实场景,弥补了人工建模仿真度低的缺陷;第三,投入成本低。在相同的拍照时长中获取五倍数据,大量数据为批量进行特征点提取和同名点匹配提供先决条件,缩短节省建模时间,节约劳动力成本;直接获取建筑物多面信息,减少航拍次数,降低仪器损耗;第四,具有较大的视场角。增添倾斜角度的航摄相机后,可根据倾斜摄影相机安放角度不同,可适当调节视场角。

2、倾斜摄影测量在实景三维建模中的关键技术研究

实景三维建模

2.1 试验区概况

本次试验位于山西省东南部的某县城,地处上党盆地西侧,东望太行与长治县搭界,西枕太岳与沁水、安泽为邻,南接高平、北毗屯留,地势西高东低,呈三级阶梯状。该地属温带半湿润大陆性气候,气候温和,四季分明,年平均气温9.2℃。摄区地势平坦,房屋建筑密集,建筑高度适中,航摄面积约为40.5km2。

2.2 倾斜影像数据获取

利用北京四维远见SWDC-5倾斜航摄仪对试验区进行倾斜摄影,东西向竖直飞行19条航线,设置67×19个曝光点,获取下视和斜视共计6365张真彩色航空影像以及下视影像原始POS数据。相片航向重叠和旁像重叠为70%,飞机相对航高750m。SWDC-5相机的摄影倾角为450、相幅大小8176×6132、下/斜视焦距为82.1mm/50.7mm,同时在航摄区域内布设了密集的相控点和检查点,采用WGS-84坐标系,其精度满足1:1000大比例尺成图要求。SWDC-5倾斜航摄仪由五台非量测型的相机集成而成,由于非量测型相机不能提供内方位元素,且在相机安装调试阶段会产生一些残余相差,这样会造成较大的光学畸变,所以在航空摄影前需要对相机进行严格标定,通过检校获取相机内方位元素和各项畸变参数。采用空间后方交会数学模型对非量测相机进行检校,解求出相机内外方位元素及畸变参数。

倾斜影像数据

由于本试验采用的是“下视影像POS数据+相机相对位置关系”的方式进行数据导入以恢复倾斜影像粗略的外方位元素,为了获得下视相机与侧视相机之间安装的相对位置关系,在执行航拍任务前需要在检校场对倾斜相机进行平台检校,同时为了保证倾斜影像外方位元素的精度,在下视影像POS数据导入之前,需利用下视影像、下视相机参数及下视影像粗略外方位元素进行空三解算,以获取下视影像精确地外方位元素。

2.3实景三维建模

本试验采用Smart3Dcapture建模软件进行全自动快速建模生产,其生产流程如下:

2.3.1数据预处理

实景三维建模

首先创建photos.csv文件,其中包括倾斜影像数据的存储路径及下视影像的POS信息;其次创建cameras.csv文件,该文件记录每个相机的像素、像幅、焦距、主点、相机旋转参数方向参数及相机之间相对位置姿态参数等信息,主要用于创建空三工程时设置相机参数;最后根据创建好photos.csv和cameras.csv文件由工具生成block.xml文件,xml文件记录了工程的影像POS信息和相机参数信息。打开Smart3D Capture Master,导入预先生成的block.xml文件,软件自动根据block文件创建工程。导入block文件后,检查影像排序和相机旋转方向是否正确。

2.3.2空三加密

空三加密

检查无误后,输入相应的数据参数提交空三工程。Smart3D首先会对五个视角的影像进行大量特征点提取,对获取的特征点采用多基线多特征匹配技术自动匹配同名点,然后采用光束法区域网平差进行整体平差计算,剔除粗差点。反复进行平差计算、点位调整,直到空三结果满足要求,输出空三加密报告,实现多视角影像空三解算,最后得到每张影像精确的外方位元素及消除畸变差的影像,以供后续三维重建使用。

2.3.3三维模型构建

Smart3D系统的三维重建过程是基于瓦片技术,本次试验把建模区域共分割成为672个300m×300m的“Tile”,将每一个瓦片打包建立成为一个任务,利用消除畸变差的多视影像和空三优化后的高精度外方位元素构建立体像对,采用多视影像密集匹配技术生成地物超高密度三维点云,然后按照设置的优先等级对分割区域内的三维点云构建不同层次细节度的不规则三角网(TIN)模型,通过三角网优化及简化后生成带白模的三维模型,然后在经过畸变差改正和匀光匀色处理后的影像上全自动提取位置对应的纹理信息,并将其映射到对应的模型的三角面片上,实现纹理贴附,最终生成纹理清晰逼真的城市三维模型成果。

三维模型构建

结束语

综上所述,利用SWDC-5倾斜航摄仪和Smart3Dcapture建模软件生成的该县城的三维模型平面精度较高,从该县城的三维模型成果展示中可以看出,模型完整,纹理真实,尤其对立面细节上表现良好,能够将建筑的悬挂及镂空部分构建出来,真实地反应了地物地貌特征。

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