倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图1)

无人机倾斜摄影野外作业流程

摘要: 无人机倾斜摄影实景三维模型是一种能够对复杂山地环境较好感知和表达的有效手段之一 。 本文针对复杂山地城市开展倾斜摄影实景三维存在的问题,提出了适应于山地区域的多尺度的影像获取策略,并通过与近景摄影测量融合建模的方法,实现了对山地城市倾斜摄影实景三维模型精细化建模的目的 同时,对实景三维模型的单体化方法进行了介绍及对比分析,对后期山地城市开展倾斜摄影提供了一定的技术参考 。

无人机操作复杂、流程繁琐、准备事项多。所以在起飞前做好准备工作是必须的,现将准备事项、流程及飞行过程中的一些注意事项如下:

关键词: 山地城市 垂直起降无人机 实景三维模型

近年来,随着无人机技术和倾斜摄影技术的快速发展,利用无人机搭载多镜头传感器进行倾斜摄影,快速生成城市的实景三维模型,已成为获取三维地理信息数据的重要手段[1],其真实、高效地对地面人工建筑和自然地表同时获取与表达的特点,更能准确直观地表达出复杂山地环境下的立体地表空间 。 但是,在实景三维模型的应用过程中发现,其存在“可远观不可近看,可浏览不可查询” 的问题,这些问题直接制约着倾斜实景三维模型更为广泛的应用,解决该问题是其深入到行业应用的关键,因此本文从实景三维模型的精细化及单体化两方面进行探讨研究,对进一步提高山地环境下实景三维模型精细化程度和实景三维模型单体化应用提出建议和参考 。

1 研究思路与技术路线

无人机倾斜摄影实景三维建模具有数据获取效率高、模型效果更真实、细节更丰富、建模成本更低等诸多优势[2],但因重庆复杂的山地情况及空中摄影采集角度的局限,对建筑贴近地面区域及被屋檐遮挡区域会造成地物的细节纹理信息不足或丢失,导致实景三维模型放大后会存在局部拉花及漏洞等问题,为了解决该问题,本文尝试从前端优化数据采集和后端倾斜与近景融合建模的方式进行实景三维模型精细化重建的方法研究 。 单体化方面,对现阶段行业中各类单体化方法进行试验及对比分析,具体技术路线如图 1 所示 。

一、接收任务

1、 接收任务时候必须明确任务的范围、时间、最终提交成果的格式。接受任务的范围必须具体到街道,河流等,或者有具体的图形说明。

2、 时间一般是完成的时间,无人机飞行是看天吃饭,天气不好时候无法飞行,所以时间一般要求不是很严格。

3、 最终提交成果格式是正射影像(DOM)、DSM数字表面模型即三维模型。或者数字高程模型。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图2)

4、 成图精度,最后提交时候的地形图的精度。

二、准备飞行资料

1、 根据任务范围到现场踏勘地形地貌,必须将测区范围内的高楼、灯塔、信号塔、热力公司烟囱等高建筑物的高度统计并且标注到图纸上的相应位置。对其他建筑物群进行标高测量,测量时候尽量精确。将测区内的最高点和最低点高程计算清楚并且标注在简易图上。形成图或者文件。

2、 调查测区范围内的禁飞区,禁飞区包括政府驻地、军队驻地及周围、机场及周围等其他禁止飞行的区域。未进行空域申请,严禁在禁飞区内飞行。

2 无人机倾斜摄影系统

2.1 垂直起降无人机飞行系统

用于影像获取的无人机飞行器主要有旋翼无人机和固定翼无人机两类[3 ],其中旋翼无人机系统对起飞着陆地点要求较低,能够垂直起降,但其载荷较小,续航能力较短,一般为 15 ~ 30 min[4 ],如图 2(a)所示 。 固定翼无人机一般采用弹射或手抛式起飞,然后受螺旋桨或涡轮发动机产生的推力向前飞行,具有飞行速度快,运载能力大的特点[3 ],如图 2(b)所示,但因其需要采用伞降或直接着陆等方式进行降落,因此对起降场地要求较高 。 为了更好地发挥两类无人机的优势,很多无人机生产厂家将旋翼无人机和固定翼两种无人机进行了结合,研发了垂直起降式无人机,其具备固定翼无人机的长航时、大载荷,同时具有旋翼无人机的垂直起降能力[5 ],如图 2(c)所示,特别适用于复杂山地城市环境下无人机起降及多镜头相机系统搭载,能够执行大面积的遥感数据资源获取任务 。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图3)

垂直起降固定翼倾斜摄影采集系统主要包括飞行器系统、倾斜相机系统、飞行控制系统、地面控制系统以及差分 GPS 系统[5]。 作业过程中,首先在地面控制系统中按照作业规范及要求进行任务区航线规划,然后与飞行控制系统进行数据传输,输出航线规划数据,飞行器搭载倾斜相机系统按照航线规划进行飞行作业,地面控制系统同时接收飞机飞行轨迹和状态信息对作业过程进行时时监控 。 在实施飞行作业前,地面差分 GPS 系统开启,开始接收卫星信号,飞机实施作业后与地面差分 GPS 系统同时接收卫星信号,实现后差分卫星定位解算,以提高 GPS定位精度,在飞行过程中,如遇紧急状况时,可切换成手控操作飞行进行辅助降落 。

3、 结合精度、范围、测区内的高差、测区内建筑物的高度合理选择飞行高度,确定航线间隔、拍照间隔。设置航线的一般流程:

2.2 倾斜摄影系统

4、 将测区及测区周边的卫星影像图缓存到电脑上。分辨率达到最高。

三、出发前检查无人机设备

1、查询天气。风级不得超过五级。不得在雨雪及大雾天气下飞行。阳光不能太强烈,避开中午前后时间(11:00~14:00),避开早晚时间(阴影太长影响建模)

2、 检查电脑电量、电脑上航线、图片缓存、测区各类高度点表示图。

3、 检查无人机电池电量,测量每块电池的电压,为平衡电压,电池电压两两间最好不要超过0.1V,检查遥控器电量,电台电量,相机电量。

4、 检查飞机桨叶完好程度,检查桨叶旋转方向是否正确,检查电池电线外表有无鼓包,爆皮破裂等情况,检查电子罗盘指向是否和机头方向一致,飞机电机转动情况,接飞控电是否正常,桨叶安装、各个接头、电子设备、云台、GPS等是否牢固,相机打开后是否自动拍照,相机拍照时候是不是镜头盖打开,检查天线位置是否正确(无人机天线头朝向下方,遥控器天线头平放)。

为了获取更多的地物纹理信息,往往需要在飞行平台搭载多个相机,受飞行器的载荷所限,相机系统组合主要有两镜头、五镜头以及单镜头,在飞行过程中,多个相机系统采用同步曝光方式采集地面不同角度的影像信息,同时通过 POS 系统获取与每组曝光影像相对应位置及姿态信息,从而得到用于实景建模的影像及位置姿态文件[6、2]。

5、 检查飞行时候的必带设备:飞机主体、桨叶(五对)、相机、相机连接线、电台、电台充电器、遥控器(挂带)、遥控器充电器、电压检测器、螺丝刀、脚架螺丝(2个)、扎带、电池(六块)、电池充电器(连接线)、电脑(电池、鼠标、充电器)。

2.2.1 五镜头倾斜相机

五头倾斜相机是由 5 个相机进行拼接组合,如图 3(a)所示,通过一次飞行,分别从前、后、左、右、垂直 5 个方向对地物进行拍摄[2] 。 优点是采集效率高、地物成像重叠度大 缺点是设备较重,需配合载荷较大、续航能力较长的无人飞行器进行搭载 。

四、现场起飞工作

2.2.2 两镜头倾斜相机

1、 选择起飞场地:场地一般选在平整、空旷、视野良好、周围无高大建筑物、无高压电磁区域。场地干净(硬化场地)防止吹起的杂物损坏电机等飞行部件。

2、 将桨叶、电池取出,取出无人机主体,起落架螺丝上好。此后分两人各自准备,甲检查遥控器各个档位是否在正确位置(全部摆到下位置),再次检查飞机各部件情况。等待乙的指令

两镜头倾斜相机是由 2 个相机按照一定角度进行拼接集成,如图 3(b)所示 。 采用 2 镜头倾斜相机通过一次飞行只可获取 2 个角度的影像,因此需要进行航线交叉飞行,最后补飞正下视影像 。 两镜头相机优点是设备轻,较为灵活,可利用旋翼无人机进行搭载 缺点是,同一区域需要飞行两次,还需补拍正下视,影像采集周期长 。

3、 检查电调指示音是否正确。LED指示灯闪烁是否正常。检查各电子设备有无异常情况(如异常震动,异常声音,异常发热等)。检查云台工作是否正常。解锁轻微推动油门,观察各个电机是否旋转正常。

2.2.3 单镜头相机

单镜头倾斜采集是用可实时调整云台的旋翼无人机,如图 3(c)所示,镜头朝向目标建筑,进行单镜头连续拍摄或环绕飞行 。

4、 乙打开电脑,打开电台,指令甲接通飞控电(此时严禁接动力电)。再次检查航线是否正确,查看飞控软件状态(GPS卫星个数大于或者等于7,电机异常数不得长时间大于6,两个磁偏角互差不得大于10度,三个GPS都是在本地模式下,)。校地磁(点击设置页面下的磁罗盘,单击水平校准磁罗盘,将飞机在原地水平转2圈放下,电脑显示成功后再单击垂直校准罗盘,然后将飞机竖直原地转两圈后放下,电脑显示成功后保存。两次旋转保持led灯蓝灯长亮,保存成功后等待飞控处理数据,处理结果是显示红蓝两个圈,假如很重合说明校地磁成功,重合幅度不大说明需要重新校核)。无误后上传航线、验证航线。

5、 乙验证完航线后,甲将桨叶装载飞机上,检查桨叶安装是否正确并是否固定,转动桨叶是否顺畅,接通动力电,电池绑扎一定固定好,将上盖用扎带固定牢固,打开相机电源,点击开始拍照,检查每个相机是否打开镜头盖,并且开始拍照。

6、 乙再次检查飞控软件各个参数(GPS星数超过7,电机异常不长红色,磁偏角互差不大于10,无异常,GPS均为本地)。无误后汇报给甲可以起飞。甲将飞机设置到GPS自动模式,开始起飞,五米左右悬停,无问题后收起起落架,升高到制定高度 ,将飞机设置到自动巡航模式汇报给乙。

7、 乙在软件右侧点击“开启航线模式”,点击确定。然后将目标航点改为2,点击“改变目标”飞机开始进入自动航线模式。此后甲时刻关注空中飞机,乙时刻关注飞控软件个参数(电机异常,卫星数量,电池电量,电池电流,磁偏角,是否本地,是否异常),并及时汇报飞控参数给甲(主要是电池电量,飞机出在转弯,延长线,航线的位置)。

8、 进入最后一条航线后乙必须及时向甲汇报(电量也一起汇报),并且随后汇报飞机进入悬停点。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图4)

3 山地城市实景三维精细化建模研究

3.1 影像获取

9、 进入悬停点后甲将遥控器设置到悬停模式,找到机尾并且让飞机机尾正对自己。逐渐降低飞机高度,并且慢慢调整飞机位置,在电量允许的情况下尽量将飞机降落到起飞位置。飞机降落到地面后将油门操纵杆摆到底,遥控器设置到手动模式。将上盖取下,切断动力电。

3.1.1 多尺度的倾斜摄影数据获取

实景三维建模对原始影像分辨率要求较高,而受相机焦距所限,飞行的相对高差一般在 100 ~300 m 之间,而山城重庆,城市依山而建,形成了城在山上、山在城中的城市格局[8],通过一次飞行获取的影像地面分辨率相差较大,影响最终模型效果的统一性,且很难按照传统方式进行分区航摄,因此在复杂的山地城市环境下进行倾斜摄影,需要多种作业模式结合,针对不同重建目标,形成不同的影像获取方案。 通过研究测试,建议在城市级的大场景倾斜影像数据获取过程中,首先可采用垂直起降长航时固定翼无人机搭载五镜头倾斜相机系统,相对航高 500 m 左右进行数据获取,在此基础上,对区域内高程较低的建筑区采用轻型电动固定翼或旋翼无人机搭载两镜头倾斜相机,相对行高 300 m 左右进行加密飞行 然后对古建筑、地标性建筑可采用旋翼单镜头无人机,贴近建筑或环绕建筑飞行,获取更多侧面纹理,通过多尺度的影像获取策略,保证实景模型建模效果 。

3.1.2 地面近景拍摄

地面近景拍摄可采用单反相机、手机、手持云台等各种方式,首先需要确定地面与空中采集影像具有一定的重叠范围,然后按照建模分辨率的要求及所采用设备的焦距计算合适的拍摄距离 。近景拍摄实施过程中,最好选择定焦镜头,不建议使用闪光灯、光学防抖、数码变焦等功能 。 拍摄航向重叠度约 70% ̄80%,旁向重叠度约为 60% ̄70%,两张连续照片之间的拍摄夹角小于 15° 。 本次试验采用 GigapanEPIC Pro 智能云台辅助全画幅单反相机,按照拍摄目标制定航线及重叠度,可以进行自动化的近景拍摄,能够尽量避免影像采集不规范而给后期数据处理带来难度 。 地面近景拍摄如图4

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图5)

10、 下载POS点(点击右侧照片数量按钮,下载完后检查行数和最后一个的编号是否重合,剪切到制定文件夹,连续下载两次),一般是下载两遍进行对照一下,防止出现POS点下载不全的情况发生。下载完后切断飞控点,将电池卸下放置好。进行相片的检查(相片下载时间较长,一般在每天外业完成后集中下载),截取航线图保存。将飞控记录文件保存在指定文件夹内。一般每一架次制定一个文件夹,文件夹内包含相片、POS数据、航线截图、飞控记录数据四个文件。

3.2 融合建模

ConTextCapurecent 实景建模系统支持多种数据源融合建模[9],采集端获取的多尺度影像,如果都带有地理坐标,可将所有影像一起进行联合建模,如果获取地面近景影像无对应的地理坐标,则需要分别处理 。 利用 ConTextCapurecent 进行多源数据融合建模,首先对空中倾斜摄影数据和地面近景拍摄数据分别进行空中三角测量,获取每一张影像的外方位元素同时生成三维尺度的、高密度的点云,并将二者融合,然后基于融合后的空三成果和点云数据提取深度图并构建三维 TIN,同时对三维 TIN 进行平滑和简化,最后根据三维 TIN 的空间位置信息,获取最佳视角的原始影像,自动映射纹理,即可形成高精度的实景三维模型 。对重庆市某区域采用本文所提出的多尺度的影像获取和与近景摄影测量融合建模两种方式进行了试验研究,通过获取的多尺度的影像联合建模,模型效果有明显提升 。 图 5(a)、图 5(d)为五镜头倾斜数据直接建模效果 图 5(b)为在五镜头的基础上采用两镜头加密后的建模效果 对于屋檐遮挡区域采用与近景融合的方式进行实景建模其侧面纹理效果有很大提升,如图 5(c)所示 对于高层独立建筑、如塔等,采用旋翼无人机环绕飞行对其实景模型效果改善显著,如图 5(e)所示 。

五、飞行过程中工作

1、 飞手应时刻清楚飞行器的姿态、飞行时间、飞行器位置等重要信息。地面站应时刻观察并报告相关数据。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图6)

2、 确保飞行器和人员处于安全距离。

3、 确保飞行器有足够的电量能够安全返航。

4 实景三维模型单体化

4.1 物理单体化

物理单体化是通过人工重建的方式将地面、建筑、道路及城市部件形成一个可被选中分离的实体,可以附加属性,可以实现查询统计、分析等功能[10]。

4、 若进行超视距飞行,地面站应密切监视地面站中显示的飞行器姿态,高度、速度、电池电压、GPS卫星数量等重要信息。

5、 飞行器飞行结束降落后,确保遥控器已加锁,然后切断飞机电源,再切断遥控器电源,然后关闭其他各类电子设备电源。

目前可以实现物理单体化的软件主要有 DPModeler、SVSModeler 及 Oblique Sketch 等,这三款单体化软件都是以倾斜影像的空三加密成果为基础,然后进行建筑边界提取、自动纹理映射及三维场景重构等过程,其中 DPModeler 是国内较早的一款实景三维重建软件,应用较广 SVSModeler 是将立体测图系统及 3ds Max 进行了功能集成,工作人员需带立体眼镜在立体环境下进行数据采集,然后根据采集的建筑边界自动生成三维模型 Oblique Sketch 是基于Sketchup 进行的开发和集成,充分发挥了 Sketchup高效、简单易用的优势,上手较为容易,对作业人员要求较低 。 本文以 DPModeler 为例,详细介绍物理单体化的实现过程 。

6、 飞行完后检查电池电量,飞行器外观检查,机载设备检查。

六、飞机降落后工作

4.1.1 DPModeler 物理单体化技术路线

DPModeler 是一款可对三维模型进行精细化修

1、 POS、相片、航线图检查无误后,将桨叶卸下回收,关闭电台,放入盒子里,关闭笔记本,收拾好相关配件。卸下脚架螺丝,并放在指定位置。

饰的单体化软件[11], 其可针对第三方建模软件(ContextCapture、街景工厂、Photo Mesh)自动建模的

2、 将各个配件放入盒子。将主机收在泡沫盒上,然后将主机泡沫盒放入箱子。将电池和桨叶放入盒子。

3、 检查现场是否有遗漏物品和垃圾。

七、注意事项

1、 锂电池长期不使用时应将电池进行放电处理,单片电芯的保存电压建议维持在3.8V左右。否则会对电池的使用寿命产生影响。

2、 飞行器通断电顺序:起飞前先上遥控器电,再上飞行器电源;降落时先断飞行器电源,再关遥控器电源。

3、 如本次飞行场地和上一次飞行场地有较大变动时,建议起飞前重新做磁罗盘校准。

成果进行单体化精修、悬浮物删除等工作,可得到精细化模型,达到后期应用要求,其单体化精修流程如图 6 所示 。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图7)

4、 严禁非测试飞手外其他人员擅动遥控器,避免误操作导致意外发生。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图8)

4.1.2 DPModeler 物理单体化过程

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,四周倾斜影像上获取房屋立面结构信息,对其进行推拉、编辑、调整得到最终模型 。 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,从而实现单体化模型精修效果,如图 7 所示 。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图9)

4.2 逻辑单体化

逻辑单体化是指利用已有的房屋面、道路面等二维矢量数据,通过与三维模型进行叠加、高亮显示,并通过矢量面进行属性信息挂接,从而实现可被单独选中、查询并赋予属性的效果 。 本研究结合Skyline、SuperMap 两款软件进行了单体化测试 。 如图 8 所示 。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图10)

4.3 单体化对比分析

本文对物理单体化和逻辑单体化两种单体化方式的优缺点进行了对比分析,其中物理单体化软件都可对模型进行精细化及单体化处理,但其需要逐个地物进行人工勾绘,工作量较大,效率较低 二维矢量与三维模型相结合的逻辑单体化方法使用较为灵活,工作量相对较小,但现有平台所实现的效果和兼容性有待提升,对比总结见表 1 。

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图11)

5 结 语

在复杂山地城市实施倾斜摄影可通过对飞行方案的优化,针对不同的建模目标采用与之相适应的相机系统及飞行策略进行数据采集,可大幅提升实景三维模型效果 采用倾斜与近景摄影测量联合建模的方式,对模型侧面纹理效果有很大提升,但地面采集工作量大,适用于小区域、古建筑或地标性建筑实景三维模型单体化方面,对现有单体化方法和平台进行了介绍及对比分析,为后期山地城市开展倾斜摄影提供了一定的技术参考 。

—文章转于 测绘通报 2017(11)

作者:连蓉 丁忆 罗鼎 魏文杰 李朋龙 林熙

本文仅限行业学习交流之用,版权、著作权归原载平台及作者所有数码相机参数,如有侵权,请联系删除。

- END -

倾斜摄影测量数据获取、处理与应用解决方案

基于消费者级无人机的城市三维建模

干货|Smart3D集群处理详解及错误盘查

多旋翼无人机倾斜摄影系统在航空摄影测量使用中的经验总结

一次全面的倾斜摄影介绍及应用领域的分析

倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究无人机倾斜摄影野外作业流程(图12)