CN107356230B - 一种基于实景三维模型的数字测图方法和系统 - Google Patents

一种基于实景三维模型的数字测图方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及摄影测量及测绘领域，特别是基于实景三维模型的数字测图系统与方法，本发明通过无人机倾斜摄影三维建模并配合地面测量机器人进行数字测图工作，数据采集成果进行数字测图更为轻便灵活，同时可获得高分辨率的实景三维模型数据，真实感强。通过地面测量机器人获得的控制点坐标可以有效控制模型整体精度，获得的地物点坐标可以有效弥补空中无人机航拍建模后被遮挡物影响而坐标精度不够的不足。本发明工作效率大幅提高，而且还同时得到逼真的三维地形地貌数据，满足数据成果多样化需求。

Description

一种基于实景三维模型的数字测图方法和系统
技术领域
本发明涉及摄影测量及测绘领域，特别是基于实景三维模型的数字测图系统与方法。
背景技术
随着倾斜摄影三维建模技术应用的普及，城市三维建模在智慧旅游、LBS位置服务、城市规划、公共安全、环境保护等诸多领域的应用不断增多，在传统测绘领域，基于倾斜摄影的三维建模成果由于其模型精细程度的不断升级和提高，已能逐步达到大比例尺数字测图的精度要求。
实景三维模型主要通过无人机进行空中拍照获取一定重叠度的影像，之后通过将照片、位置和姿态信息输入至倾斜摄影建模软件后，即可自动进行三维模型重建，生成与现实场景1:1的地貌模型信息。如申请号为：200910117739.X ，发明名称为：一种数字测图方法的中国专利，这还是一种以外业测量为工作内容的测图方法，没有和无人机采集数据相结合起来，效率较低。再比如图1所示，该种模型的主要采集源主要分为：手机、单反相机、无人机、载人机等。该种测图方式仅依赖空中航拍的图像数据，在精度上陷入瓶颈，无法取得有效突破，更重要的是在某些被障碍物遮挡的地方，无法获取有效的图像数据，无法全面反映真实场景。
本发明在现有技术申请号为：201610618024.2 ，发明名称为：单相机旋转式倾斜摄影方法及倾斜摄影装置，也是描述的一种数据采集平台的基础上，可以通过该平台结合地面采集的数据生成的三维建模成果，进行后期数字测图，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，提供一种基于实景三维模型的数字测图系统与方法。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于实景三维模型的数字测图系统，包括空中数据采集模块、地面测量模块、数据融合处理模块、三维测图模块；
所述空中数据采集模块用以根据预设航行路线采集空中图像数据，并将采集的空中图像数据和POS信息发送至数据融合处理模块；
所述地面测量模块确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；并将采集的地面图像数据和控制点坐标发送至数据融合处理模块；
所述数据融合处理模块将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；
所述三维测图模块将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。
进一步的，所述空中数据采集模块包括空中图像采集单元、飞行单元和POS单元；
所述POS单元中预存有设计好的航线；
所述飞行单元为无人机，所述飞行单元按照预存航线飞行；
所述空中图像采集单元，按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成。
更进一步的，所述地面测量模块包括全站仪，GNSS系统，地面图像采集单元；
所述GNSS系统结合本地差分CORS系统，负责地面测量模块的定位和确定控制点；
所述全站仪负责采集地物点坐标，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息；
所述地面图像采集单元按照一定的重叠度规律采集街景地面图像数据。
作为一种改进，所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型。
作为进一步改进，还包括终端显示模块，所述终端显示模块在完成三维矢量线划图的制作后，通过采用VR展示设备进行显示，展示点云数据、实景三维模型、正射影像、DLG线划图数据成果。
一种基于实景三维模型的数字测图方法，包括如下步骤：
构建待测区域坐标系；
无人机按照预设航线采集空中图像数据并记录POS信息；
确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；
将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；
将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。
进一步的，所述无人机按照预设航线采集空中图像数据具体为按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成。
更进一步的，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息。
作为一种改进，所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型。
作为进一步改进，所述步骤“将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图”还包括通过人工辅助的方法框选出三维模型上的地面及其附属物边线；结合被遮挡的地面兴趣地物点坐标，完成三维矢量线划图的制作。
本发明的有益效果：一种基于实景三维模型的数字测图系统与方法，通过无人机倾斜摄影三维建模并配合地面测量机器人进行数字测图工作，数据采集成果进行数字测图更为轻便灵活，同时可获得高分辨率的实景三维模型数据，真实感强。通过地面测量机器人获得的控制点坐标可以有效控制模型整体精度，获得的地物点坐标可以有效弥补空中无人机航拍建模后被遮挡物影响而坐标精度不够的不足。本发明工作效率大幅提高，而且还同时得到逼真的三维地形地貌数据，满足数据成果多样化需求。
附图说明
图1为本发明一种基于实景三维模型的数字测图系统与方法现有技术示意图；
图2为本发明一种基于实景三维模型的数字测图系统与方法彩色三维模型示意图；
图3为本发明一种基于实景三维模型的数字测图系统逻辑框图；
图4为本发明一种基于实景三维模型的数字测图方法示意框图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
如图3所示，一种基于实景三维模型的数字测图系统，包括空中数据采集模块、地面测量模块、数据融合处理模块、三维测图模块；
所述空中数据采集模块用以根据预设航行路线采集空中图像数据，并将采集的空中图像数据和POS信息发送至数据融合处理模块；空中数据采集模块集成了POS系统及通信系统，和地面站进行连接后由地面站将测区任务上传至飞机，之后飞机按照预设好的航线进行飞行和拍照。全过程均为自动化，完成拍摄任务后无人机自动返回起飞点。
所述地面测量模块确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；并将采集的地面图像数据和控制点坐标发送至数据融合处理模块；
所述数据融合处理模块将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；
所述三维测图模块将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。作为一种优选实施方式，本发明所涉及的正射影像应为高于2cm地面分辨率的高分辨正射影像，才能满足1:500测图精度要求（平面坐标中误差15cm），通过人工辅助的方法框选出三维模型上的道路边线、绿地边线等地面及其附属物边线，结合地面从测量模块导入的建筑物脚点及被树木等物体所遮挡的兴趣地物点坐标，完成1:500的DLG线划图的制作。
进一步的，所述空中数据采集模块包括空中图像采集单元、飞行单元和POS单元；
所述POS单元中预存有设计好的航线；
所述飞行单元为无人机，所述飞行单元按照预存航线飞行；
所述空中图像采集单元，按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成；倾斜影像从10度至80度不等，多为45度倾斜。
更进一步的，所述地面测量模块包括全站仪，GNSS系统，地面图像采集单元；
所述GNSS系统结合本地差分CORS系统，负责地面测量模块的定位和确定控制点；
所述全站仪负责采集地物点坐标，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息；
所述地面图像采集单元按照一定的重叠度规律采集街景地面图像数据。所述地面图像采集单元为高分辨相机，该高分辨相机负责采集地面街景照片。
作为一种改进，所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型。如图2所示，生成高分辨率正射影像图。作为一种优选方式，本发明采用的数据融合处理平台为Altizure平台。
作为进一步改进，还包括终端显示模块，所述终端显示模块在完成三维矢量线划图的制作后，通过采用VR展示设备进行显示，展示点云数据、实景三维模型、正射影像、DLG线划图数据成果。其中实景三维模型可以身临其境进行空中漫游，为用户提供良好的身临其境的体验。
如图4所示，一种基于实景三维模型的数字测图方法，包括如下步骤：
构建待测区域坐标系；
无人机按照预设航线采集空中图像数据并记录POS信息；
确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；
将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；本发明为三维mesh模型而不是拼接为全景照片，或矢量的模型，这是两种表现形式完全不同的数据，因为只有这样才能实现建模过程的全自动化，这点非常重要也是与背景技术中的现有技术最大的区别之一，也就是说只需要标定一定的地面控制点，就可以达到较高的精度。
将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。
进一步的，所述无人机按照预设航线采集空中图像数据具体为按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成。
更进一步的，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息。
作为一种改进，所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型。
作为进一步改进，所述步骤“将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图”还包括通过人工辅助的方法框选出三维模型上的地面及其附属物边线；结合被遮挡的地面兴趣地物点坐标，完成三维矢量线划图的制作。
本发明一种基于实景三维模型的数字测图系统与方法，通过无人机倾斜摄影三维建模并配合地面测量机器人进行数字测图工作，数据采集成果进行数字测图更为轻便灵活，同时可获得高分辨率的实景三维模型数据，真实感强。通过地面测量机器人获得的控制点坐标可以有效控制模型整体精度，获得的地物点坐标可以有效弥补空中无人机航拍建模后被遮挡物影响而坐标精度不够的不足。本发明工作效率大幅提高，而且还同时得到逼真的三维地形地貌数据，满足数据成果多样化需求。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于实景三维模型的数字测图系统，其特征在于，包括空中数据采集模块、地面测量模块、数据融合处理模块、三维测图模块；
所述空中数据采集模块用以根据预设航行路线采集空中图像数据，并将采集的空中图像数据和POS信息发送至数据融合处理模块；
所述地面测量模块确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；并将采集的地面图像数据和控制点坐标发送至数据融合处理模块；
所述数据融合处理模块将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型；
所述三维测图模块将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。
2.如权利要求1所述的基于实景三维模型的数字测图系统，其特征在于，所述空中数据采集模块包括空中图像采集单元、飞行单元和POS单元；
所述POS单元中预存有设计好的航线；
所述飞行单元为无人机，所述飞行单元按照预存航线飞行；
所述空中图像采集单元，按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成。
3.如权利要求1所述的基于实景三维模型的数字测图系统，其特征在于，所述地面测量模块包括全站仪，GNSS系统，地面图像采集单元；
所述GNSS系统结合本地差分CORS系统，负责地面测量模块的定位和确定控制点；
所述全站仪负责采集地物点坐标，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息；
所述地面图像采集单元按照一定的重叠度规律采集街景地面图像数据。
4.如权利要求1所述的基于实景三维模型的数字测图系统，其特征在于，还包括终端显示模块，所述终端显示模块在完成三维矢量线划图的制作后，通过采用VR展示设备进行显示，展示点云数据、实景三维模型、正射影像、DLG线划图数据成果。
5.一种基于实景三维模型的数字测图方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建待测区域坐标系；
无人机按照预设航线采集空中图像数据并记录POS信息；
确定地面控制点坐标，获取地物点坐标并采集地面图像数据；
将空中图像数据、POS信息、地面控制点坐标和地面图像数据进行三维模型解算，处理为三维mesh模型和正射影像图；所述三维模型解算包括：通过同名点匹配方式得到点云数据，并与地面控制点进行标定匹配，得到具有独立坐标系的高精度点云；之后通过滤波优化，基于优化点云生成Mesh白模，通过自动贴图的方式得到完整的彩色三维模型；
将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图。
6.如权利要求5所述的基于实景三维模型的数字测图方法，其特征在于，所述无人机按照预设航线采集空中图像数据具体为按照一定的重叠度规律采集空中的航拍矩阵空中图像数据，其中航拍采用正射拍摄的影像结合多角度倾斜影像组成。
7.如权利要求5所述的基于实景三维模型的数字测图方法，其特征在于，所述地物点坐标主要包括被树木遮挡的建筑物脚点坐标、树下的井盖、消火栓坐标信息。
8.如权利要求5所述的基于实景三维模型的数字测图方法，其特征在于，所述步骤“将三维mesh模型、正射影像图与地物点坐标处理生成三维矢量线划图”还包括通过人工辅助的方法框选出三维模型上的地面及其附属物边线；结合被遮挡的地面兴趣地物点坐标，完成三维矢量线划图的制作。
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