基于ContextCapture的無(wú)人機(jī)傾斜影像建模方法研究

曹瀟雷 董燕

摘? 要： 隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維建模已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。本文通過(guò)研究ContextCapture軟件實(shí)現(xiàn)快速建模的建模過(guò)程，對(duì)建模過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)并提出合理化的建議，實(shí)現(xiàn)三維模型的高效快速，對(duì)推動(dòng)全自動(dòng)化快速建模的發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞： ContextCapture;無(wú)人機(jī);傾斜攝影;建模方法

【Abstract】： With the rapid development of drone technology， tilt photogrammetry technology and 3D modeling technology， UAV tilt photogrammetry technology has been widely used in surveying and mapping. It has become a trend to realize three-dimensional modeling of UAV tilt photogrammetry. This paper studies the modeling process of rapid modeling by studying ContextCapture software， summarize the problems in the modeling process and propose rationalization suggestions， efficient and Fast implementation of 3D Model， it is of great significance to promote the development of fully automated rapid modeling.

【Key words】： ContextCapture; UAV; Tilt photography; Modeling method

0? 引言

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近幾年發(fā)展應(yīng)用起來(lái)的一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)。目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如建筑設(shè)計(jì)、地圖制圖、施工和建造、資源與能源，文物遺產(chǎn)保護(hù)等[1]。傳統(tǒng)的三維建模方法主要是將收集到的二維平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，與數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行三維建模，該方法只適用于建模區(qū)域較小、地表植被單一和建筑物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的區(qū)域，需要投入更多的內(nèi)外業(yè)人員采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行大量的內(nèi)業(yè)處理，工作量大且周期較長(zhǎng)，在建模的質(zhì)量、速度和效率方面都難以滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

然而，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有靈活、經(jīng)濟(jì)且便于攜帶的特點(diǎn)，并且能從一個(gè)垂直和四個(gè)傾斜角度進(jìn)行空間信息的采集，可以快速的獲取地物的高分辨率紋理信息，有效的提高了獲取地物紋理信息的效率。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于城市三維建模中，比較常用的三維建模方法有：基于CAD的建模技術(shù)、基于激光掃描建模技術(shù)[2]、基于攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)（數(shù)字航空攝影測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)）、移動(dòng)測(cè)量技術(shù)、照片建模技術(shù)、三維組件式自動(dòng)建模技術(shù)等。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)三維建模方法進(jìn)行了研究，臧宇哲等人基于多源數(shù)據(jù)的三維建模方法研究，將三維激

光掃描數(shù)據(jù)和傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)相融合，構(gòu)建建筑模型[3]。許一凡等人也提出將兩類技術(shù)綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)三維數(shù)據(jù)完整采集，通過(guò)統(tǒng)一控制點(diǎn)坐標(biāo)系和迭代最臨近點(diǎn)配準(zhǔn)算法將兩類點(diǎn)云融合，構(gòu)建高質(zhì)量、高效率、高分辨率的三維模型[4]。二者的區(qū)別在于前者是以某大學(xué)建筑物為例，后者是以地形地貌較為復(fù)雜和特殊的地區(qū)為例。譚仁春等人總結(jié)了一套無(wú)人機(jī)傾斜影像城市三維建模的改進(jìn)方法，將傾斜攝影和MAX等技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行城市三維建模，以3DGIS技術(shù)所要達(dá)到的精確數(shù)據(jù)和逼真效果為出發(fā)點(diǎn)，充分利用現(xiàn)階段城市測(cè)繪資源，研究各種模型要素的特點(diǎn)，制定技術(shù)流程，開(kāi)發(fā)基于3DMAX等建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度和真實(shí)的城市三維快速建模技術(shù)方法[5-6]。因此，需要對(duì)不同的三維建模方法進(jìn)行研究，解決建模過(guò)程中存在的問(wèn)題，改進(jìn)建模方法，提高建模的質(zhì)量和效率。三維模型應(yīng)用十分廣泛，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存方式和表示方法對(duì)模型的應(yīng)用都有著重要的意義[7]。

1? 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

1.1? 無(wú)人機(jī)技術(shù)

無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是無(wú)人駕駛飛機(jī)，它是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置進(jìn)行操作，或者由車載計(jì)算機(jī)完全地間歇地自主操作。從技術(shù)角度來(lái)講，包含多旋翼、固定翼、垂直起降飛機(jī)等多種機(jī)種。

無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、靈活、經(jīng)濟(jì)、快速的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)高分辨率影像的采集，在彌補(bǔ)衛(wèi)星影像經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像缺點(diǎn)的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期長(zhǎng)，應(yīng)急不及時(shí)等問(wèn)題。無(wú)人機(jī)在國(guó)土資源、自然資源和應(yīng)急救災(zāi)數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出其獨(dú)特的效率和優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)今數(shù)字城市和智慧城市以及測(cè)繪領(lǐng)域，研究無(wú)人機(jī)對(duì)三維模型建模及建模效果有著重要的意義[8]。

1.2? 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)[9]。它改變了傳統(tǒng)的只能從垂直角度拍攝的局限，搭載多臺(tái)傳感器在同一飛行平臺(tái)上，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜角度進(jìn)行影像的采集，獲取豐富的地物高分辨率紋理信息，通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的三維模型。結(jié)合GNSS技術(shù)，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶體驗(yàn)度的同時(shí)大大降低三維城市建模的成本[10]。該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。目前，基于無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行快速三維建模的軟件有法國(guó)Acute3D公司的Bentley ContextCapture軟件、俄羅斯的Photoscan、法國(guó)Astrium公司的街景工廠、瑞士Pix4D公司Pix4Dmapper軟件等。我國(guó)目前雖然沒(méi)有比較全面的建模軟件，但是也進(jìn)行了積極的研究，如武漢天際航信息科技有限公司開(kāi)發(fā)的DP-Modeler可實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的高精度手工建模[11]。常用的修復(fù)軟件有： 3DMax、Geomagic、Meshmixer和PhotoMesh等。在建模時(shí)使用建模軟件會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，會(huì)出現(xiàn)空三失敗、運(yùn)算較慢等問(wèn)題。本文通過(guò)分析ContextCapture軟件，研究其三維建模的過(guò)程，總結(jié)建模過(guò)程中所存在的問(wèn)題，并提出合理化的建議，推動(dòng)三維模型的快速構(gòu)建。

2? ContextCapture建模

ContextCapture三維建模是利用空中三角測(cè)量算法，通過(guò)空三加密計(jì)算出大量的連接點(diǎn)，利用這些連接點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型的基本框架，將三維模型白膜和表面的紋理信息進(jìn)行自動(dòng)映射，從而獲取具有真實(shí)、自然紋理的高分辨率實(shí)景三維模型[12]。ContextCapture是一套實(shí)景三維自動(dòng)建模系統(tǒng)，將數(shù)字影像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)幾何圖形算法相結(jié)合，對(duì)各種地物進(jìn)行精確的重建，通過(guò)加入傳感器參數(shù)、空間坐標(biāo)以及控制點(diǎn)等數(shù)據(jù)來(lái)提高建模精度。

ContextCapture系統(tǒng)的模塊主要包含：Master（主控臺(tái)）、Setting（設(shè)置）、Engine（引擎）、Viewer（瀏覽）等。Master主要是進(jìn)行創(chuàng)建任務(wù)和管理任務(wù)，查看任務(wù)的進(jìn)程等，Setting主要是指明任務(wù)的路徑，Engine是對(duì)隊(duì)列中的任務(wù)進(jìn)行處理，Viewer是對(duì)生成后的三維模型進(jìn)行瀏覽，可以對(duì)生成后的模型質(zhì)量進(jìn)行觀察，然后通過(guò)導(dǎo)入其它輔助修改軟件進(jìn)行修改。參照一定的技術(shù)規(guī)范，獲取整個(gè)測(cè)區(qū)的傾斜影像數(shù)據(jù)，主要的實(shí)施流程有：對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行勘探獲得其基本地理信息、采集三維影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)處理三個(gè)步驟[13]。

2.1? 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘探收集測(cè)區(qū)的基本地理情況，了解周圍環(huán)境的狀況，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的無(wú)人機(jī)，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和像控點(diǎn)布設(shè)，像控點(diǎn)的布設(shè)遵循一系列的布設(shè)原則[14]。選擇合適的天氣，實(shí)施飛行方案，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行拍攝，獲取測(cè)區(qū)的高分辨率影像數(shù)據(jù)，整理建模所必須的數(shù)據(jù)，主要有原始影像數(shù)據(jù)、相機(jī)文件數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)等。

2.2? 數(shù)據(jù)的處理

目前，采用ContextCapture軟件進(jìn)行三維重建居多。在數(shù)據(jù)處理方面，數(shù)據(jù)處理的主要方式是將數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析和預(yù)處理，去除那些不夠完整的數(shù)據(jù)，以確保建模數(shù)據(jù)和資料完整性和格式正確。在進(jìn)行三維建模之前，需要對(duì)采集的影像航片進(jìn)行簡(jiǎn)單的手工處理，手動(dòng)剔除不合格的相片，如出現(xiàn)拍攝拖影，曝光嚴(yán)重，構(gòu)圖嚴(yán)重不合理的影像，還有無(wú)人機(jī)起飛和降落的相片進(jìn)行刪除，適當(dāng)?shù)膭h除相似度較高或重復(fù)的相片，利用相機(jī)文件數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)提高空三計(jì)算效率及精度。

2.3? ContextCapture軟件建模

ContextCapture軟件建模的整個(gè)過(guò)程：（1）利用ContextCapture Center Master新建工程;（2）在新建好的工程中導(dǎo)入正射影像和其它四個(gè)傾斜角度所采集的影像數(shù)據(jù)，并相應(yīng)的填寫傳感器的參數(shù)大小、焦距參數(shù)以及相機(jī)校檢，查看POS數(shù)據(jù)信息;（3）建立空三關(guān)系模型，選擇空三的區(qū)域內(nèi)的定位和定向，將傾斜影像進(jìn)行空三加密，獲得影像的高精度外方位元素;（4）通過(guò)多視影像密集匹配將高精度的外方位元素和矯正后的傾斜影像相結(jié)合，獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建3DTIN模型;（5）選取相對(duì)應(yīng)的紋理信息，實(shí)現(xiàn)紋理的自動(dòng)關(guān)聯(lián);（6）導(dǎo)出相應(yīng)格式的真三維模型場(chǎng)景。ContextCapture三維建模技術(shù)路線如圖1所示。

3? 建模方法分析

通過(guò)ContextCapture軟件輸出的初始化三維模型通常存在畸變，有些畸變是由于在工程實(shí)施過(guò)程中不可避免的客觀因素造成的，初始生產(chǎn)的實(shí)景三維模型難以滿足某些應(yīng)用的需求[15]。在實(shí)際工程實(shí)施過(guò)程中，受到無(wú)人機(jī)設(shè)備、大氣環(huán)境及軟件算法的影響，生產(chǎn)的模型會(huì)引起視覺(jué)差異和應(yīng)用障礙，如航攝盲區(qū)以及特征點(diǎn)匹配錯(cuò)誤的影像，模型的邊緣細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠準(zhǔn)確，個(gè)別地物紋理缺失，建模地形與實(shí)際地形不一致等。導(dǎo)致這樣的原因主要是：（1）無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中受天氣的影響造成幾何畸變;（2）大氣環(huán)境噪聲引起的模型飛面、凸包;? ? （3）陽(yáng)光照射引起的模型紋理不均勻、破洞;? ? （4）像主點(diǎn)落水而引起的水面缺失;（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑。模型成果的精度過(guò)渡依賴于攝影質(zhì)量，對(duì)設(shè)備的要求較高，模型成果的數(shù)據(jù)量較大，影響了模型的修正和實(shí)際應(yīng)用。

通過(guò)分析三維模型構(gòu)建過(guò)程和模型成果所存在的問(wèn)題，在構(gòu)建三維模型過(guò)程中需要改進(jìn)的方面有：（1）選擇先進(jìn)和合適的無(wú)人機(jī)攝影設(shè)備，制定嚴(yán)密航飛技術(shù)方案，對(duì)拍攝不到的地區(qū)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)或者人工測(cè)量，獲取高質(zhì)量的影像;（2）對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分類，剔除不合理的數(shù)據(jù);（3）對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)：修補(bǔ)破洞，抹平凸包，刪除碎部;替換重要地物和標(biāo)志物的三維模型;替換和修補(bǔ)不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。結(jié)合傳統(tǒng)建模的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)三維成果模型中需要修改的地物和區(qū)域進(jìn)行二次處理。具體修復(fù)過(guò)程如圖2所示。

4? 探討研究

ContextCapture生成的ERISi3s格式的傾斜攝影模型成果可對(duì)接到ArcGIS中使用，并通過(guò)Porttal for ArcGIS網(wǎng)頁(yè)或者APP形式進(jìn)行開(kāi)放共享[16]。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合ContextCapture軟件，能夠較好的控制成本，相比傳統(tǒng)的建模技術(shù)，人工成本減少，勞動(dòng)力強(qiáng)度降低。減少了外業(yè)的工作量，縮短了周期，明顯的提高了建模效率。能夠客觀反映真實(shí)性，還原實(shí)際場(chǎng)景，更好的表達(dá)現(xiàn)勢(shì)性要素，提供了長(zhǎng)度、高程、面積及坡度等相關(guān)的現(xiàn)狀信息。

在建模過(guò)程中，不管是對(duì)數(shù)據(jù)的采集還是處理，都需要選擇合適的軟件和方法。需要結(jié)合不同數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施方案的制定，三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)融合可有效彌補(bǔ)了無(wú)人機(jī)拍攝不到區(qū)域，對(duì)復(fù)雜地面信息進(jìn)行無(wú)死角數(shù)據(jù)采集，提高了作業(yè)效率，減少了人工修補(bǔ)的工作量。所以，在進(jìn)行三維重建時(shí)，要充分結(jié)合多種方法來(lái)改進(jìn)建模的效率和質(zhì)量，使其應(yīng)用在更多的生產(chǎn)生活中。

5? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速獲取傾斜影像和 ContextCapture自動(dòng)化空三加密及建模方面，使其在建模質(zhì)量和效率有明顯的提升。但是在自動(dòng)化生成三維模型的過(guò)程中出現(xiàn)的模型局部和細(xì)節(jié)問(wèn)題還難以解決，很難滿足實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的需要，需要進(jìn)一步研究提升無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維模型的質(zhì)量和效率。在模型的修復(fù)過(guò)程中主要靠人工修補(bǔ)，需花費(fèi)時(shí)間從而造成模型的自動(dòng)化程度不高。在確保模型質(zhì)量的情況下，如何使得建模過(guò)程完全自動(dòng)化有待進(jìn)一步的研究。

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