为什么小编要发布这样一篇无人机行业运用的干货呢?原因是之前许多对无人机航测感兴趣的人都咨询过小编有没有无人机相关倾斜摄影技术课程,于是乎...

以下就是小编奉献给大家的倾斜摄影三维建模的流程,具体可以留言联系Powerfly18th!!!

一、概要

随着智慧城市的发展,真实可靠高效率的可视化信息对我们越来越重,利用无人机的优势以及倾斜摄影技术,可以快速准确的对一片区进行实景建模,成为GIS(地理信息系统)中重要的一环,也是BIM(建筑信息管理)中重要的角色。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图1)

通过在同一飞行平台上搭载多角度相机(或者单相机飞不同航线),同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像,获取地面物体更为完整准确的信息,由这些倾斜影像即可生成三维模型。

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如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图2)

今日菜鸟  明日大神如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图3)

无人机摄影测量中,应用最为广泛的是倾斜摄影测量技术,它能以高清晰、高精度的方式感知并呈现复杂的场景。倾斜摄影测量技术是通过多台影像采集设备从不同角度获取地面信息,通过高精度的数据处理方法实现对真实场景的重建,以测绘级精度反映客观情况。与传统三维建模相比,倾斜摄影三维模型的外部特征、高度及坐标信息能够快速、准确地获取,为测绘地理、应急救灾、农业生产、交通及电力等行业提供数据保障。

随着倾斜摄影技术的发展,国内外诸多学者对倾斜摄影三维重建技术作了许多研究。以往无人机倾斜摄影搭载五拼相机,同时采集同地点1 个垂直、4 个倾斜5 个角度的多视影像数据,实现获取地面目标真实完整的空间信息。2016 年7 月,武汉大势智慧科技有限公司的黄先锋发明一种固定翼无人机摇摆式倾斜摄影系统[1],同年北京观著信息技术有限公司的张俊峰提出双相机五视角倾斜摄影实现方法及单相机旋转式倾斜摄影方法[2-3]。2016 年11 月24 日,ChinterGEO 2016 **测绘地理信息技术装备展览会在苏州盛大开,大势智慧应大翼航空邀请参加此次盛会,向中外观众展示双鱼倾斜相机和大疆M600 在测绘领域的应用和解决方案。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图4)

1 倾斜摄影概述

倾斜摄影技术的发展与推广,不仅使空间信息的呈现从二维延伸到三维,更重要的是催发了测绘领域新的行业应用。倾斜摄影技术最重要的优点是不依赖人工观测,即可取得精细的三维模型和测量成果,而这一点也正是摄影测量几十年来所要追求的目标。借助三维建模技术,利用足够数量和足够重叠度的倾斜影像实现实景重建。影像的采集是整个三维场景重建过程中非常重要的一步,重建效果的好坏大都与影像采集有很大的关系,拍摄光照条件好的环境下,影像分辨率高、重叠度大,建成的三维模型效果自然会好。下面从影像采集方面讨论两种不同倾斜摄影系统。

二、软件介绍

1.1 五相机倾斜摄影系统

五相机摄影测量系统是在无人机平台上搭载1 个垂直和4 个倾斜角度的相机,在每个相机曝光位置上,从5 个不同角度同时拍摄地面目标,获取地面目标高分辨率多视影像数据。五镜头倾斜摄影系统是目前在无人机倾斜摄影工程中普遍使用的设备18 测 绘 通 报 2017 年 增刊之一,它是在有人驾驶飞机上使用的传统的五相机结构的延续。如图1、图2 所示。

随着越来越多的人开始对无人机感兴趣无人机成为当代年轻人的“玩具”。说到玩无人机那么无人机app就必不可少了。无人机app与无人机通过蓝牙或者网络连接之后就能通过你手上的手机控制无人机的开关以及功能,还能在手机上观看拍摄视频。目前无人机飞控软件有DJI GO、DJI GS PRO、LitchiVue、Pix4Dcapture、Dronepan等软件,现在我和大家说一下DJI GS PRO什么使用吧。

三、作业流程

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1、打开APP,左侧的列表是当前规划好的任务,右侧是调用的是苹果地图,在**大陆的苹果地图也就是高德地图。我们接下来点击左下角的“新建”按钮来建立航测任务。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图6)

图1 影像获取示意图

2、这时出现五个选项,我们选择中间的这个(测绘航拍区域模式),来对一个大片区域进行航拍。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图7)

图2 相机姿态示意图

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图8)

五相机倾斜摄影的航线采取“之”字形,在航线设计过程中,模型重建对象的每一部分应至少3 个不同的视点进行拍摄,因此建议采集航向重叠度不小于80%,旁向重叠度不小于50%的影像[4-5]。本研究采用的五相机倾斜摄影系统是西安航光仪器厂生产的HGⅡ-C 多视角航空摄影仪,斜视相机倾角为43°如图2 所示。由图3 可知,航线设计应比测区范围至少外扩大约一条航线的距离,以保证能够获取测区边缘地物侧面完整的纹理信息。飞行高度( H) 的设计一般是根据地面分辨率( GSD) 来计算,公式如下[6]

3、我们选择地图选点,根据地图显示的画面确定航测的方位和面积。同时也是因为无人机的飞行时间一般就半小时作用,电量非常宝贵,用飞行器去定点会浪费很多电量。

H= f×GSD/a

式中,H 为摄影航高,单位为m; f 为摄影镜头焦距,单位为mm; GSD 为地面分辨率,单位为m; a 为像元尺寸,单位为mm。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图9)

此外,为了准确控制相机的曝光速度,倾斜摄影相机一般采用固定焦距,为避免“漏片”现象,相机设置为快门优先。获取数据后需要现场检查是否漏片,剔除不合格的影像,并规划重新拍摄,直到满足质量要求。

4、具体操作流程:

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图10)

图3 外扩范围示意图

(1)点击屏幕就会出现一个航测区域,手动拖拽四个定点可以改变航测的面积和形状,同时也可以手动增加拐点,让航测面积更加的灵活多样。

(2)并且在右边的菜单栏里选择好对应的云台相机。

(3)设置好任务的高度,任务的高度和拍摄的清晰度,成图的分辨率有很大的关系。

(4)大面积的时候尽量选择等时间拍照,因为能上传的航点是有限的。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图11)

5、点击进入右侧菜单的高级选项之中:

(1)重新设置一下航测的重叠了,一般航向和旁向重叠率是80%和70%。

(2)设置好云台俯仰角,正射影像图一般为-90°,拍摄3D立体时一般为-45°。

(3)设置好返航高度,确保返航时不会碰撞到障碍物。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图12)

6、这点也是最关键的一点,这时候一定要点开**大陆这个选项,不然飞行器的位置是偏移的。会导致航测任务区域整体偏移,有一部分任务没有拍摄到。

根据需求获取非统一精度的影像,可以调节拍摄距离来实现。如果出现拍摄距离的限制,则需要设置不同焦距,在这种情况下应在每个设置的焦距下个拍摄一定数量的影像,避免出现某个焦距下只有很少照片的情况。另外,在使用可变焦相机时,应尽量保持在同一组数据中使用相同的焦距,为此可以需要把可变焦相机镜头固定。一般情况,五相机倾斜摄影系统下侧视相机的焦距比下视相机的焦距要长,且侧视相机的焦距为下视相机焦距的1.4 倍。

1.2 双相机倾斜摄影系统

双相机摄影测量系统是在无人机平台上搭载两个倾斜角度的相机,在每个相机曝光位置上,从两个不同角度同时拍摄地面目标,获取地面目标高分辨率多视影像数据。如图4、图5 所示。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图13)

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图14)

7、检查任务没有问题后,点击右上角的飞机按钮,程序开始上传任务和自检,通过后就可以点击飞行了。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图15)

图4 影像获取示意图

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图16)

8、整个任务过程都是全自动的,包括起降,任务完成后,左边菜单的任务变成一个旗子的标志证明任务已经完成。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图17)

图5 相机姿态示意图

双相机主光轴倾斜角度,是根据倾斜影像中心点( GSDmid) 、近地点( GSDtop) 与远地点( GSDbotton) 的大致分辨率,结合计算公式得出

GSDtop =αHcos By/fcos( Ay-By)

四、建模软件

GSDmid = αH/fcos Ay

当数据采集完后,如果你想创建一个真实的三维场景、并且快速分享给你的朋友,在“如初三维重建平台”即可实现。你不需要有专业背景,测量设备、不需要手动贴图,“如初三维重建平台”让场景重建变得更简单,你只需要拍摄一些照片即可。登录“如初三维重建平台”,注册账号,点击上传照片,上传完成之后点击建模即可。无需多余的操作,简单快捷。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图18)

GSDbotton =αHcos By/fcos( Ay+By)

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式中,H 为摄影航高,单位为m; f 为摄影镜头焦距,单位为mm; GSD 为地面分辨率,单位为m; a 为像元尺寸,单位为mm; Ay为相机倾角; By为视场角的一半。倾斜影像的几何关系如图6 所示。

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图6 倾斜影像的几何关系

通常情况下,获取的倾斜影像近点分辨率与垂直影像中心点地面分辨率应相当,倾斜影像的远点分辨率不宜超垂直影像分辨率的3 倍。本研究用的双相机焦距为35 mm,经计算相机倾角为42°。

双相机倾斜摄影的航线规划采取“井”字形,整个航线规划尽量以矩形覆盖任务区域,并沿矩形区域长边方向及短边方向分别敷设航线,最终呈格网状。此外,实际飞行范围应超出任务区域1 个航高的范围,任务区内地形高差应小于1 /2 航高。

2 实景三维重建

本研究采用法国Smart3Dcapture 倾斜摄影后处理软件,首先对获取的数据资料进行分析,排除先天缺陷的影像,确保用于三维重建的数据完整正确。总体技术路线如图7 所示: ①区域整体平差,得到较好的同名点匹配结果; ②通过多视影像密集匹配,获得高密度三维点云; ③根据点云构建三维TIN 模型;④根据三维TIN 模型中每个三角形面片的法线与二维图像之间的夹角,选择相对应的最佳纹理信息,实现纹理的自动关联; ⑤输出并获得城市真三维模型成果。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图20)

图7 技术路线

2.1 原始数据准备

主要包括影像数码相机参数、相机文件、POS 数据,首先对影像数据进行重叠度检查,航向重叠度应大于80%,旁向重叠度应大于50%,同时根据不同相机视角进行分别储存。另外,还需整理软件建模需要的POS数据或外控点成果。

2.2 区域整体平差

多视影像区域整体平差充分考虑影像间的几何变形及遮挡关系。结合POS 数据提供的外方位元素,采取由粗到精的金字塔匹配策略,在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差,得到较好的同名点匹配结果。同时建立连接点和连接线、控制点坐标GPS+IMU 辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程,通过联合解算,确保平差结果的精度。

2.3 多视角影像密集匹配

影像匹配的关键问题是如何快速准确地获取多视影像上同名点坐标,从而得到高密度数字点云。如果单独使用一种匹配基元或匹配策略,往往难以获取建模需要的同名点,目前许多倾斜摄影后处理软件则采用多基元、多视影像密集匹配。

2.4 三维TIN 格网构建

经过多视角影像密集匹配获得的高密度点云数据量非常大,需要进行切割分块处理,并对切块的点云数据进行不规则三角网构建。

2.5 自助纹理映射

自助纹理映射是基于瓦片技术,将整个目标区域分割成一定数量的子区域( 瓦片) ,借助集群处理系统中并行处理机制,将每个瓦片建立成为一个任务执行模型与纹理影像的配准,并进行纹理贴附,进而生成最终的三维场景。

3 两种方法对比分析

同时利用五台相机进行倾斜摄影的原理和技术已经有了广泛研究,为了寻求倾斜摄影三维建模对相机方位及数量的要求,本文分别采用五相机倾斜摄影系统和双相机倾斜摄影系统,分别进行了三维建模试验。两种倾斜摄影系统参数设置见表1。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图21)

利用两种倾斜摄影方法构建出三维模型的效果如图8—图11 所示。

如何利用无人机进行倾斜摄影三维建模?基于双相机和五相机倾斜摄影方法的三维建模对比分析研究(图22)

图8 五相机建模总体效果

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图9 五相机建模细节效果

由三维建模效果图对比可以看出,双相机倾斜摄影系统仅用两台相机就可以达到固定式五相机的效果,且双相机倾斜摄影系统结构简单、重量轻、使用方、便成本低等诸多优点,为无人机倾斜摄影三维建模的实际生产提供了一种新的良好选择。

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图10 双相机建模总体效果

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图11 双相机建模细节效果

4 结语

本文利用五相机和双相机倾斜摄影系统分别获取了影像数据,并借助Smart3Dcapture 软件进行三维建模试验。从模型效果展示中可以看出,两种倾斜摄影方法建成的模型均结构完整,纹理色彩真实,尤其双相机倾斜摄影方法在细节上表现良好,能够将地物地貌真实完全地反映出来。

由此可以得出: 无人机倾斜摄影建模效果与获取数据的相机数量无关; 并且垂直方向相机不是必须的,下视数据对三维模型的生成没有影响; 倾斜相机的角度要根据视场角进行计算,避免照片边缘的分辨率过低; 实际生产中采用双相机倾斜摄影系统综合性价比更优。像金字塔,根据缩放级别和区域,动态调度切片显示,提高了影像加载速度,同时避免了内存泄漏问题。 

作者:赵家乐

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