城區(qū)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方法

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(1. 廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 福建 廈門361024；2. 生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(莆田學(xué)院)， 福建 莆田 351100；3. 福建省土木工程建筑行業(yè)協(xié)會， 福建 廈門 361022)

引言

傾斜攝影測量技術(shù)通過傾斜、垂直等多角度進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航攝技術(shù)的不足，在軍事偵察、文物保護(hù)、施工建筑、考古等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。美國的Trimble公司、Pictometry公司通過多臺同時(shí)從不同的角度對同一目標(biāo)地物進(jìn)行觀測，很好地突出了地形地物的紋理特征及立體結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了過去只能從垂直角度觀測的不足[2]。Pictometry公司研發(fā)的EFS/POL系統(tǒng)，以色列Ofek研發(fā)的Multivision和Idan公司研發(fā)的權(quán)利器系統(tǒng)，可以反映出多角度實(shí)時(shí)觀測的目標(biāo)，并且有更好圖像傾斜入射角度[3]。

傾斜攝影測量技術(shù)在中國的研究起步相對較晚，繼2010年第一臺中國產(chǎn)的swdc-5傾斜攝影相機(jī)問世之后，又有多款傾斜攝影相機(jī)被陸續(xù)生產(chǎn)出來。廣州紅鵬公司2013年研發(fā)出了一款用于旋翼無人機(jī)的傾斜相機(jī)APSS 100，促進(jìn)了傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展[4]。傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)，極大程度地提高了中國數(shù)字城市的三維重建中“城市高分辨率航空影像數(shù)據(jù)庫”建設(shè)的質(zhì)量和速度，降低了成本[5]。用戶可以在同一地區(qū)獲取廣闊的視角觀察不同的影像信息，對影像進(jìn)行直觀量測[6]。目前中國并沒有明確傾斜攝影測量的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如何拍攝出高真實(shí)感、高質(zhì)量的地形地物紋理是傾斜攝影研究的重點(diǎn)[7-8]。

本研究采用天魁-2多旋翼五鏡頭無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模，對重建后的城區(qū)傾斜三維模型進(jìn)行質(zhì)量檢查及畸變原因分析。針對模型問題，提出影像質(zhì)量提升、二次補(bǔ)充處理、模型幾何修復(fù)方法，最后得到高精度的三維模型。

1 傾斜攝影測量技術(shù)及設(shè)備

1.1 系統(tǒng)介紹

為了保證獲取地形地物的表面紋理，在獲取影像數(shù)據(jù)時(shí)相機(jī)需要傾斜一定角度。目前五鏡頭相機(jī)是國內(nèi)比較主流的傾斜攝影系統(tǒng)，搭載5臺傳感器，同時(shí)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同角度的方式獲取影像數(shù)據(jù)，而無需轉(zhuǎn)動云臺，加快獲取數(shù)據(jù)的效率。近年來市場上也出現(xiàn)了兩相機(jī)、四相機(jī)等多種傾斜攝影系統(tǒng)。

傾斜攝影測量技術(shù)是多臺傳感器搭載在同一飛行平臺上，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度進(jìn)行影像采集，獲取完整的地形地物表面信息，傾斜角度拍攝的照片叫做斜片，垂直角度拍攝的照片叫做正片，無人機(jī)在拍攝時(shí)同時(shí)精確記錄當(dāng)時(shí)的航高、航向、經(jīng)緯度、航速、俯仰角等地理信息。數(shù)據(jù)采集完成后將照片添加到ContextCapture(原Smart3D)中，通過空中三角測量加密，重建三維模型。

1.2 數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)介紹

傾斜攝影測量技術(shù)以高精度、高清晰、大范圍的方式綜合感知復(fù)雜場景，彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工建模仿真的不足，為測繪領(lǐng)域的實(shí)際效果和水平精度提供保證，為提升效率帶來革命性的改變。目前比較有代表性的技術(shù)有ContextCapure、街景工廠、PhotoScan、Pix4DMapper等。

采用ContextCapture軟件進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)的處理，生成OSGB、OBJ、3MX 等格式的三維模型，其技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technical flowchart

1.3 設(shè)備介紹

使用天魁-2多旋翼五鏡頭無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，五相機(jī)同時(shí)曝光，一次采集5張影像，有下視影像，便于空中三角測量和正攝圖生成。天魁-2多旋翼五鏡頭無人機(jī)系統(tǒng)適用于較大載重載荷設(shè)備(如三維激光雷達(dá))掛載飛行，在智能飛行駕駛儀控制下自主起飛、空中巡航、起飛點(diǎn)自主降落，操作人員在便攜式地面站上實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的飛行狀態(tài)，完成不同載荷對應(yīng)的飛行任務(wù)。天魁-2多旋翼五鏡頭無人機(jī)相機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 天魁-2多旋翼五鏡頭無人機(jī)相機(jī)參數(shù)

2 模型重建及質(zhì)量提升

傾斜攝影測量技術(shù)基于無人機(jī)或大飛機(jī)搭載航攝儀通過多角度拍攝來獲取影像，再將影像經(jīng)過相機(jī)檢校、pos數(shù)據(jù)解算、影像預(yù)處理、空中三角測量、外業(yè)像控、三角格網(wǎng)模型構(gòu)建以及映射紋理等處理過程，實(shí)現(xiàn)城市實(shí)景三維模型的自動構(gòu)建。其中高精度三維模型成果制作技術(shù)路線如圖2所示 。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集主要包括：規(guī)劃區(qū)域影像采集、像控點(diǎn)采集、pos數(shù)據(jù)采集。通過確定航拍區(qū)域，規(guī)劃無人機(jī)飛行方向、飛行范圍、飛行高度、飛行速度、航線航向、重疊度和旁向重疊度等要素。在設(shè)置規(guī)劃完整的航線后，無人機(jī)無需手動操作，可根據(jù)航線位置智能飛行，并觸發(fā)相機(jī)自主進(jìn)行影像數(shù)據(jù)拍攝采集。同時(shí)像控點(diǎn)的布設(shè)也是傾斜攝影測量里很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，像控點(diǎn)布設(shè)的好壞會直接影響三維模型成果的精度，因此外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)要注意像控點(diǎn)目標(biāo)的選擇，一般選擇房屋腳做控制點(diǎn)。pos數(shù)據(jù)包括相片日期和時(shí)間、經(jīng)度、緯度、飛行高度、飛行姿態(tài)、航向等信息，pos數(shù)據(jù)在飛機(jī)航拍時(shí)實(shí)時(shí)記錄，可在拍攝結(jié)束后連接無人機(jī)導(dǎo)出。

數(shù)據(jù)采集完成后，將5個(gè)鏡頭的照片分別放在5個(gè)不同的文件夾，再對其分別重命名。避免照片重復(fù)，有利于后期刺像控點(diǎn)和連接點(diǎn)時(shí)尋找照片，同時(shí)把pos數(shù)據(jù)命名為對應(yīng)照片名。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 集群運(yùn)算

隨著傾斜攝影測量技術(shù)的廣泛運(yùn)用，內(nèi)業(yè)處理的數(shù)據(jù)量越來越大，集群式傾斜攝影數(shù)據(jù)處理會比單機(jī)式處理快得多，集群可以加快內(nèi)業(yè)建模效率，更加精準(zhǔn)高效。

集群運(yùn)算是對同一局域網(wǎng)中的所有電腦分配任務(wù)進(jìn)行并行運(yùn)算，首先將一臺配置比較高的電腦作為“主腦”，在“主腦”上將照片和pos數(shù)據(jù)進(jìn)行文件共享，然后在ContextCapture Settings中設(shè)置任務(wù)序列目錄為“主腦”共享的文件夾路徑。將局域網(wǎng)中的所有電腦進(jìn)行設(shè)置后，重啟后即可開始Smart3D集群運(yùn)算。

2.2.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

由于使用集群運(yùn)算，首先需要將新建工程的工程目錄選擇為“主腦”共享的文件路徑。再通過影像目錄添加影像，添加所有的照片數(shù)據(jù)，相對應(yīng)地把pos數(shù)據(jù)添加到ContextCapture Master，選擇WGS-84坐標(biāo)作為絕對坐標(biāo)。同時(shí)因?yàn)闆]有做像控點(diǎn)計(jì)算出來的空中三角測量會發(fā)生一定程度的形變，加入像控點(diǎn)能夠很好地校正。在兩個(gè)飛行架次之間添加連接點(diǎn)也有助于電腦能夠更好的識別兩個(gè)架次之間的同名點(diǎn)。最后提交空中三角測量，利用含有pos數(shù)據(jù)的兩個(gè)架次的照片進(jìn)行空中三角測量，可以算出每張照片的三維位置，該過程由軟件自動進(jìn)行。

空中三角測量運(yùn)算后，可以查看數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，同時(shí)在三維視圖目錄中可以查看空中三角測量的成果，通過航點(diǎn)可以查看相對應(yīng)照片的信息，沒有問題后即可直接進(jìn)行三維模型重建。

2.3 三維模型重建

三角測量結(jié)束后就能新建重建項(xiàng)目進(jìn)行三維模型重建，根據(jù)需求對空間框架進(jìn)行選擇，坐標(biāo)系選擇WGS-84/ UTM ZONE 50N，再根據(jù)電腦的配置對瓦片的大小進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。瓦片越大，對電腦內(nèi)存的需求就越大。常用的格式有3MX、OSGB、OBJ等，本研究采用了3MX格式，通常第一次輸出3MX格式后，后續(xù)若要輸出其他格式，只要在同一個(gè)空三下輸出時(shí)間就會變得很快。紋理壓縮可以根據(jù)需求進(jìn)行不同的選擇，本研究強(qiáng)調(diào)高精度，所以選擇100%的JPEG質(zhì)量。質(zhì)量越高數(shù)據(jù)量就越大，因此電腦處理的時(shí)間也會更長。

選擇好WGS-84/ UTM ZONE 50N坐標(biāo)系，并且確定輸出路徑便可以進(jìn)行三維模型重建。三維模型重建時(shí)電腦會通過ContextCapture軟件進(jìn)行全自動化的圖像處理運(yùn)算，集群運(yùn)算速度比單機(jī)運(yùn)算快很多，同時(shí)ContextCapture在運(yùn)算時(shí)軟件界面會顯示總進(jìn)度條，可以在“更多細(xì)節(jié)”中查看各瓦塊的處理進(jìn)度。三維模型重建成功后，在Acute3D Viewer中查看模型，以某學(xué)院模型為例，如圖3所示。

圖3 某學(xué)院的三維模型Fig.3 3D model of an university

2.4 三維模型質(zhì)檢及分析

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于地形、設(shè)備、大氣環(huán)境、軟件算法等多種因素影響，最后的三維模型成果會出現(xiàn)畸變和錯(cuò)誤，給實(shí)際工程應(yīng)用造成阻礙。現(xiàn)以案例的三維模型成果進(jìn)行畸變及原因分析[9-10]。

2.4.1 存在問題

通過對三維模型質(zhì)檢，主要存在以下問題：

(1)整體邊緣不整齊，出現(xiàn)了鋸齒狀，整體色彩灰暗。

(2)玻璃建筑物出現(xiàn)破洞，如圖4(a)所示。

(3)模型整體模糊不清，如圖4(b)所示。

(4)模型存在破洞，整體表面玻璃模糊，如圖4(c)所示。

(5)模型底部存在大量破碎瓦片，如圖4(d)所示。

圖4 三維模型質(zhì)量檢查Fig.4 Quality inspection of 3D model

2.4.2 原因分析

(1)受天氣或時(shí)段影響，造成影像光照不足或過曝等，引起模型紋理不均勻、昏暗、破洞等問題。

(2)受測區(qū)地形影響，造成影像分辨率不足，引起模型邊緣平滑等問題。

(3)受航攝飛行姿態(tài)顛簸或建筑物高度影響，造成影像重疊度不足、幾何畸變，引起模型畸變等問題。

(4)受航攝盲區(qū)影響，造成區(qū)域性影像缺失，引起模型空洞、畸變等問題。

(5)空中三角測量階段，因影像及pos數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤及點(diǎn)位不足等情況，引起模型空洞、畸變等問題。

2.5 三維模型質(zhì)量提升方法

2.5.1 影像質(zhì)量提升

原始影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量提升對三維自動建模意義重大，主要通過改善相機(jī)平臺、相機(jī)參數(shù)設(shè)定、影像預(yù)處理過程，提升最終模型質(zhì)量，減少模型灰暗、拉花、空洞等問題。

對影像進(jìn)行預(yù)處理軟件有：Adobe Lightroom、Adobe Photoshop、Dynamic-Photo HDR、Color Efex Pro等，其主要是能夠批量的對原始影像的色彩空間類型、基礎(chǔ)映射方式、亮度對比度、降噪模式、邊緣銳化程度等進(jìn)行修改。其中對影像進(jìn)行勻光勻色處理能夠改善不同航帶的銜接計(jì)算問題，同時(shí)減少計(jì)算機(jī)修正運(yùn)算，提升計(jì)算效率。

2.5.2 二次補(bǔ)充處理

三維模型產(chǎn)生的空洞、扭曲、粘連、紋理缺失等問題，主要是由于影像分辨率不足、視線遮擋、建筑物密集、丟失紋理等原因造成的，此類大部分問題能夠通過測區(qū)補(bǔ)拍得到解決。利用小型旋翼無人機(jī)或手持相機(jī)對測區(qū)進(jìn)行補(bǔ)拍，將補(bǔ)拍數(shù)據(jù)添加到原工程目錄下和原數(shù)據(jù)再次進(jìn)行空中三角測量，選擇合適參數(shù)，模型重建完成后即可進(jìn)行下一步修飾。對于重點(diǎn)建模測區(qū)可以將補(bǔ)拍的數(shù)據(jù)單獨(dú)建模，再利用Geomagic軟件對最終模型進(jìn)行替換。

2.5.3 模型幾何修復(fù)

通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提升，三維模型還存在一定的空洞、扭曲等問題，則需選擇相關(guān)模型修復(fù)軟件對模型進(jìn)行修正。利用OSketch、SVSModeler、3DMax、Geomagic Studio、RealityPaint、Meshmixer等相關(guān)軟件功能對模型進(jìn)行空洞修補(bǔ)、凸包整平、細(xì)部整飾、模型替換、水面修復(fù)等工作，能夠有效的對模型進(jìn)行修復(fù)。

利用上述提出的各種基于無人機(jī)傾斜攝影測量成果的城市三維模型質(zhì)量提升方法，對上文構(gòu)建的三維模型進(jìn)行質(zhì)量提升驗(yàn)證。模型檢查后，針對不同的問題使用不同方法進(jìn)行修復(fù)。例如：將原始影像進(jìn)行勻光勻色，使得整體圖像色彩更加豐滿美觀(見圖5)；利用補(bǔ)拍數(shù)據(jù)單獨(dú)建模，并使用Geomagic軟件將新模型與舊模型進(jìn)行位置矯正，完成精修替換(見圖6)；將玻璃破碎的瓦片通過Geomagic軟件刪除破碎塊，再利用“搭橋工具”將破洞分為很多個(gè)小的破洞，再挨個(gè)“填充”，完成玻璃破洞修復(fù)(見圖7)。通過實(shí)例驗(yàn)證，使用上述模型質(zhì)量提升方法能夠顯著提高三維模型質(zhì)量。

圖5 修復(fù)效果圖Fig.5 Repair effect diagram

圖6 模型替換Fig.6 Model replacement

圖7 圓盤樓修復(fù)前后對比Fig.7 Pre-and post-repair comparison of the disk building

3 總結(jié)

以某學(xué)院作為案例，對重建后的城區(qū)傾斜三維模型進(jìn)行質(zhì)量檢查及畸變原因分析。針對模型問題，提出影像質(zhì)量提升、二次補(bǔ)充處理、模型幾何修復(fù)方法。并以上文重建的城區(qū)三維模型為研究對象，利用提出的模型質(zhì)量提升方法對其驗(yàn)證，結(jié)果表明模型中的明顯缺陷及不足得到改善，顯著提高了模型質(zhì)量，為其能夠應(yīng)用在更高要求的場合提供一定的借鑒。