無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的應(yīng)用

夏海杰

重慶市二零五勘測設(shè)計有限公司

1、無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機低空遙感技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過多年的研究，無人機傾斜攝影測量是攝影測量學(xué)科中新興的技術(shù)，是目前國內(nèi)外研究的熱點。無人機傾斜攝影測量另一個難點是傾斜3D模型的建立。傳統(tǒng)的3D模型建立，如CAD技術(shù)、航空攝影測量技術(shù)，它們利用2維信息建立3D立方體，其紋理是依靠專門的3D軟件如3DMAX等進行人工粘貼，其工作量較大，生產(chǎn)成本也高。傾斜模型建技術(shù)也是借助于專門的系統(tǒng)軟件進行建模的，但它是生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型，具有真實的紋理，因此，建立的3D模型更為真實。而且速度快。傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。

2、無人機數(shù)字影像匹配

2.1 影像特征提取

特征提取是計算機視覺和圖像處理中的一個概念。它指的是使用一臺計算機，以提取影像中同名點的圖像信息，該信息決定影像中的相同特征。特征提取是將影像上的點進行歸類，分別劃分為不同的子集，這些子集通常是由一個孤立的點、一條連續(xù)的曲線或一個連續(xù)的區(qū)域組。

影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情況，來確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別。特征通常按形狀劃分，可分為點特征、線特征和面特征。點特征主要包含影像中的明顯點；線特征是線狀地物或面狀地物的邊緣在影像中的構(gòu)像。提取點特征的算子稱為興趣數(shù)字。

2.2 無人機影像匹配

由于無人機低空攝影測量系統(tǒng)是無人駕駛的飛機，在風(fēng)力的影響下不容易對無人駕駛飛機進行操作，且會偏離既定的航線，導(dǎo)致相鄰影像間的旋偏角大；在無人飛機上數(shù)碼相機的姿態(tài)也會由于風(fēng)的影像或飛機的動作而不能保持固定不動，這會導(dǎo)致相鄰影像之間的旁向重疊度和航向重疊度有較大的變化；無人機在城區(qū)飛行時，高聳的建筑物會在相鄰影像中存在變形，導(dǎo)致在攝影的影像上無法找到匹配的搜索范圍。以上原因均會給多視影像的同名匹配帶來困難，并降低了灰度相關(guān)的成功率和可靠性，而具有不變性特征的SIFT匹配算法對于影像的旋轉(zhuǎn)、縮放等變化具有較好的適應(yīng)力。

3、無人機傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

3.1 基于CAD的建模與航空數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)建模

CAD建模，此種方式需要借助CAD軟件來完成，在CAD中，可以直接創(chuàng)建并編輯測區(qū)的基本幾何形狀，并對地物特征進行充分體現(xiàn)，可以正確進行測區(qū)規(guī)劃工作，避免了因信息失誤而帶來的麻煩。在該軟件的應(yīng)用下，利用CAD中的數(shù)據(jù)能夠直接建立出測區(qū)的三維模型，也就是實體模型，該種方式雖然應(yīng)用效果較佳，但鑒于在建模時會產(chǎn)生極大的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理成為了此方面的短板，往往會需要投入很多人力物力。

3.2 基于傾斜攝影測量技術(shù)的3D建模

傾斜影像技術(shù)是近年來國際測繪遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的一項新型技術(shù)，通過在同一飛行平臺上裝載多臺攝影機，使這些設(shè)備能夠同時從垂直、任意角度對測區(qū)進行影像的采集，能夠獲取地面地物更全面的信息。對地進行垂直攝影的影像稱為正片(一組影像)，而鏡頭與地面呈一定角度時拍攝的影像為斜片(四組影像)。

傾斜影像有以下特點：(1)從全方位的角度對地物進行觀察，真實反映地物的實際情況及周邊情況，極大的彌補了正射影像的不足。(2)傾斜影像可以對所測量地物進行高度、長度、角度、坡度等的量測，能夠?qū)崿F(xiàn)單張影像量測，這一技術(shù)擴展了傾斜影像技術(shù)的應(yīng)用。(3)對于不同的地物，傾斜影像都能采集到地物的側(cè)面紋理。

對傾斜攝影獲得的傾斜影像進行處理之后，利用測繪建模軟件能夠生成傾斜影像三維模型，模型能夠呈現(xiàn)兩種成果數(shù)據(jù)：1)單體模型，它可以利用傾斜攝影提供的傾斜影像豐富影像紋理信息，借助相關(guān)的系統(tǒng)軟件生產(chǎn)的3D模型框架，如數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)生成的建筑物立方體。通過紋理映射技術(shù)(自動)，生產(chǎn)真實的三維模型。2)非單個模型，它也稱傾斜模型，這是利用系統(tǒng)軟件進行全自動化生產(chǎn)的3D模型，它是通過多是影像數(shù)據(jù)，顧及多種系統(tǒng)誤差，進行聯(lián)合平差解算，首先生成高密度的點云圖，然后自動生成TIN格網(wǎng)模型，最后生成帶有真實紋理的3D模型。它最大的優(yōu)點是全自動化，真實紋理。但它的缺點也較為明顯，即每個建筑物不可以進行修改，包括它的紋理信息。

3.3 基于傾斜攝影測量技術(shù)的3D建模精度分析

該方式是目前最為先進的技術(shù)之一，其中融合了多種先進的技術(shù)，使得整體效果得以強化，其優(yōu)勢在于：①在進行拍攝時能夠從各個角度進行，將正射影像缺點進行了優(yōu)化；②應(yīng)用時其能夠?qū)Ω叨取㈤L度以及角度進行高精度測量，也可以進行單張量測，這也是以往技術(shù)所不具備的；③在應(yīng)用到不同的環(huán)境中時，其也可以很好的適應(yīng)，并且支持與其他技術(shù)進行結(jié)合應(yīng)用，另外，其覆蓋范圍較大，應(yīng)用成本低，具有靈活性，便于完成側(cè)面紋理的拍攝工作。

總之，三維建模的實現(xiàn)也使得二維地理信息體系得到了優(yōu)化，如今如何更好地將無人機傾斜攝影測量影響處理應(yīng)用到三維建模中也成為了亟待解決的問題，需要重點加強研究。

[1]何敏，胡勇，趙龍.無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取及處理探討[J].測繪與空間地理信息，2017，40(07)：77-79.

[2]楊存英.基于傾斜影像的建筑物提取與參數(shù)化三維重建[D].西安科技大學(xué)，2016.