CN109238239B - 基于航空摄影的数字测量三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法，以GPS全球定位系统的WGS84地心坐标系为基础，使用数字地球GoogleEarth里创建的KML文件进行测区分块的范围划分，通过制定的技术流程方案和自主开发的辅助软件完成所有分块和不同坐标系的数据转换。本发明可以使用不同的策略进行计算，然后从不同的结果中找到最优解，使成果质量最佳；方便快捷，可以定量分析，精度高，能提高工作效率，减少重复性工作及工作损失；能够解决山区地貌引起的问题，避免任务失败。解决了传统三维建模效率低不能很好反映真实纹理的问题，解决了建立的实景三维模型精细度和纹理不够理想而需要事后处理加工等问题。

Description

基于航空摄影的数字测量三维建模方法

技术领域

本发明涉及航空影像测量领域，特别是指一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法。

背景技术

为了满足不同行业的实际工作需要，实景三维模型要求采用对应的坐标系或地方坐标系，如：国家大地2000，西安80，北京54等。

现有技术方案是根据需要计算的坐标系类型，将原始航飞的数据和控制点数据转为相应坐标系值，然后再逐一进行测区分块，数据提取，航片刺控和模型计算。

现有技术方案主要存在的缺陷是：由于不同单位的坐标系使用要求不一样，可能会存在同一套航飞影像数据需要计算不同坐标系的实景模型；

根据倾斜摄影的技术特点，若需要生产大比例尺高精度的实景模型，整个航测工程会获取大数据量的原始航片影像，若按现有方案处理，则不同坐标系的计算均需要完成同样准备工作，包括：依据测区航飞数据量进行区域分块、各分块航片原始数据人工抽取、各分块控制点刺控等工作，导致前期工作量大，重复工作多，生产效率低下，无法充分利用计算平台，计算的产品成果精度不一致等问题。

发明内容

本发明提出一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法，能够实现一次数据处理，不同坐标系数据自由转换。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法，以GPS全球定位系统的WGS84地心坐标系为基础，使用数字地球GoogleEarth里创建的KML文件进行测区分块的范围划分，通过制定的技术流程方案完成所有分块和不同坐标系的数据转换，具体方案流程如下：

步骤a.根据地面分辨率要求及山区起伏情况确定每条航线的绝对航高；通过航空遥感飞行获取包括倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据的原始数据；

步骤b.使用GoogleEarth完成测区的分块划分，并将每一分块存储为kml文件，打开分区数据提取转换工具，导入带POS数据的xml文件和各kml分块文件，软件将自动对每一张航片的GPS坐标点进行判断识别是否在KML所划定的范围内，完成航片的区块分类准备工作；

步骤c.对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理，对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理及坐标转换，算出组合导航数据初始值；

步骤d.整体空三和先分块空三、再合并空三，得出相应的空三结果及空三报告，比较不同条件下的空三结果及空三报告，选择最优结果，用于山区实景三维建模，以形成清晰精确的三维地理信息数据；

步骤e.再次打开分区数据提取转换工具，导入带刺控的xml文件，选择所需转换的指定坐标系，再选择已转换好的指定坐标系的POS数据文件，软件将自动将每张航片的坐标数据对应转换为指定的坐标系数据，这样就实现了一次控制点刺控，不同坐标系数据的自由转换；

步骤f.将转换好坐标系数据后的xml文件导入Context Capture软件，就可马上进行相应坐标系的空三加密计算和建模工作。

作为优选，测量山区地形时，若山区起伏小，即山区内部高差小，在相同地面分辨率的要求下，相对航高基本相同，这样所有航线就处于相同的绝对航高；若山区起伏大，即山区内部高差大，在相同地面分辨率的要求下，航线就处于不同的绝对航高；反之，若要求所有航线都处于相同的绝对航高，则起伏小的山区对应的数据具有相同的地面分辨率；起伏大的山区对应的数据具有不同的地面分辨率。

作为优选，测量城市地形时，针对各个建筑物,一方面将该建筑物的各个顶点投影至正视角航带影像中,获取建筑物顶面纹理，所述正视角航带影像为倾斜摄影飞行航带中所有正视角航空影像的影像集合，另一方面从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理；建筑物实景三维模型建立:针对各个建筑物,先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上，然后判断该建筑物侧面是否存在细节不清晰或纹理模糊的待修正区域，若存在，则截取与该建筑物几何模型侧面相对应的且具有定向元素的车载移动测量影像,来对所述待修正区域进行修正，得到具有精细纹理信息的建筑物实景三维模型。

作为优选，所述步骤c的具体内容为打开自主开发的分区数据提取转换工具，导入带POS数据的xml文件和各kml分块文件，软件将自动对每一张航片的GPS坐标点进行判断识别是否在KML所划定的范围内，若是则提取相关航片的照片数据和对应的POS外方位元素，航片存入指定的分类文件夹，POS数据自动导出为Excel文件，并生成仅包含所分区块航片数据的xml文件，通过此步骤操作，完成航片的区块分类准备工作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过以上技术解决方案，就实现了一次分区，一次刺控，不同坐标系数据多次自由转换的目的，极大的提高了建立不同坐标系实景三维模型的灵活性和工作效率。

通过使用自主开发的测区分块、数据提取软件自动完成各分块的POS数据和航片数据的提取分类工作，然后在人工完成各区块控制点刺控的工作以后，通过软件自动将刺控好的XML分块数据转换为所需的各类坐标系分块数据，最后导入Context Capture建模软件进行空三运算，实现数据一次处理，不同坐标系数据自由转换运算的目的。

主要创新点在于使用航飞过程中存储的全球通用的WGS84地心坐标系GPS数据，使用直观的方式在GoogleEarth上划定分区区块，通过软件算法的处理即可实现大数据量的区块划分和归类数据整理工作，极大降低了作业人员的工作强度，提高了工作的准确性。为了保证实景三维模型的高精度，需要对测区内的控制点进行刺控，由于倾斜摄影的特点，同一曝光点会同时产生5张不同角度的航空影像，因此存在数据量大重叠度高的特点，因此控制点刺控的工作较传统方法更为复杂，在保证统一的刺控标准下，实现了一次控制点刺控，多种不同坐标系数据自动转换，避免了大强度的重复劳动。通过开发的软件自动化处理，对以上两点工作的快速准确的完成有了质的提高，尤其是大范围的倾斜摄影测量工作具有重要的实际意义。

本发明操作简单，可以使用不同的策略进行计算，然后从不同的结果中找到最优解，使成果质量最佳；方便快捷，可以定量分析，精度高，能提高工作效率，减少重复性工作及工作损失；能够解决山区地貌引起的问题，避免任务失败。解决了传统三维建模效率低不能很好反映真实纹理的问题，解决了建立的实景三维模型精细度和纹理不够理想而需要事后处理加工等问题。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法，以GPS全球定位系统的WGS84地心坐标系为基础，使用数字地球GoogleEarth里创建的KML文件进行测区分块的范围划分，通过制定的技术流程方案完成所有分块和不同坐标系的数据转换，具体方案流程如下：

步骤a.根据地面分辨率要求及山区起伏情况确定每条航线的绝对航高；通过航空遥感飞行获取包括倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据的原始数据；

步骤b.使用GoogleEarth完成测区的分块划分，并将每一分块存储为kml文件，打开分区数据提取转换工具，导入带POS数据的xml文件和各kml分块文件，软件将自动对每一张航片的GPS坐标点进行判断识别是否在KML所划定的范围内，完成航片的区块分类准备工作；

步骤c.对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理，对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理及坐标转换，算出组合导航数据初始值；

步骤d.整体空三和先分块空三、再合并空三，得出相应的空三结果及空三报告，比较不同条件下的空三结果及空三报告，选择最优结果，用于山区实景三维建模，以形成清晰精确的三维地理信息数据；

步骤e.再次打开分区数据提取转换工具，导入带刺控的xml文件，选择所需转换的指定坐标系，再选择已转换好的指定坐标系的POS数据文件，软件将自动将每张航片的坐标数据对应转换为指定的坐标系数据，这样就实现了一次控制点刺控，不同坐标系数据的自由转换；

步骤f.将转换好坐标系数据后的xml文件导入Context Capture软件，就可马上进行相应坐标系的空三加密计算和建模工作。

作为优选，测量山区地形时，若山区起伏小，即山区内部高差小，在相同地面分辨率的要求下，相对航高基本相同，这样所有航线就处于相同的绝对航高；若山区起伏大，即山区内部高差大，在相同地面分辨率的要求下，航线就处于不同的绝对航高；反之，若要求所有航线都处于相同的绝对航高，则起伏小的山区对应的数据具有相同的地面分辨率；起伏大的山区对应的数据具有不同的地面分辨率。

通过以上技术解决方案，就实现了一次分区，一次刺控，不同坐标系数据多次自由转换的目的，极大的提高了建立不同坐标系实景三维模型的灵活性和工作效率。

依据xml文件格式、kml空间数据分析算法，基于C#开发了“普瑞实景建模分区数据提取转换助手”，工具主要功能包括：测区分块；分块航片和POS外方位元素数据提取；XML文件坐标系转换。

该技术在公司的多项实景建模工作中得到了实践应用，验证了技术方案和软件算法的正确性，并通过不断完善进一步提高了软件运行的稳定性，提高了建模工作的效率，达到了预期的开发目的。

在原始数据没有IMU数据的情况下，针对倾斜影像数据、GNSS数据及以角元素Roll(Φ)、Pitch(Θ)、Heading(Ψ)作为IMU数据初始值的组合导航数据进行空三；针对倾斜影像数据、GNSS数据及以角元素Omega(ω)、Kappa(κ)作为IMU数据初始值的组合导航数据进行空三，分别迭代计算倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，当达到最佳迭代次数时，若空三结果存在航线集与X-Y平面不平行，则不再继续迭代计算，且判定该结果失败；若所有航线集与X-Y平面平行，则不再继续迭代计算，且判定该结果可行；当没有达到最佳迭代次数时，若空三结果存在航线集与X-Y平面不平行，则继续进行迭代计算倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，直到所有航线集与X-Y平面平行为止，且判定该结果可行；将可行的空三结果作为新的初始值继续空三，迭代计算倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次计算后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，则选择该次空三结果作为新的初始值继续空三，迭代优化倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次优化后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，若GNSS数据没有采用RTK测量，则结束优化，得出空三结果及空三报告；若GNSS数据采用了RTK测量，则选择该次空三结果作为新的初始值继续空三，迭代优化倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次计算后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，选择该次空三结果作为最终结果，比较两次空三最终结果，选择连接点多且精度高的用于实景三维建模。

当达到最佳迭代次数时，若空三结果存在航线集与X-Y平面不平行，则不再继续迭代计算，且判定该结果失败；若所有航线集与X-Y平面平行，则不再继续迭代计算，且判定该结果可行；当没有达到最佳迭代次数时，存在航线集与X-Y平面不平行若空三结果存在航线集与X-Y平面不平行，则继续进行迭代计算倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，直到所有航线集与X-Y平面平行为止，且判定该结果可行；将可行的空三结果作为新的初始值继续空三，迭代计算倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次计算后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，则选择该次空三结果作为新的初始值继续空三，迭代优化倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次优化后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，若GNSS数据没有采用RTK测量，则结束优化，得出空三结果及空三报告；若GNSS数据采用了RTK测量，则选择该次空三结果作为新的初始值继续空三，迭代优化倾斜影像数据的位置信息及姿态信息，剔除残差、粗差，观察每次计算后的连接点数量，当连接点数量达到最多时，选择该次空三结果作为最终结果，比较两次空三最终结果，选择连接点多且精度高的用于实景三维建模。

实景三维建模：是指根据一系列二维相片，或者一组倾斜影像，自动生成高分辨的、带有逼真纹理贴图的三维模型。如果倾斜像片带有坐标信息，那么模型的地理位置信息也是准确的。这种模型效果逼真，要素全面，而且具有测量精度，不仅带给人身临其境之感还可用于测量学应用，是现实世界的真实还原。

空三：即空中三角测量，空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。其主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。空中三角测量一般分为两种:模拟空中三角测量即光学机械法空中三角测量；解析空中三角测量即俗称的电算加密。模拟空中三角测量是在全能型立体测量仪器(如多倍仪)上进行的空中三角测量。它是在仪器上恢复与摄影时相似或相应的航线立体模型，根据测图需要选定加密点，并测定其高程和平面位置。

航空摄影测量中利用像片内在的几何特性，在室内加密控制点的方法。即利用连续摄取的具有一定重叠的航摄像片,依据少量野外控制点，以摄影测量方法建立同实地相应的航线模型或区域网模型(光学的或数字的)，从而获取加密点的平面坐标和高程。主要用于测地形图。

倾斜摄影测量：倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。航空倾斜影像不仅能够真实地反应地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域，并使遥感影像的行业应用更加深入。由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验，该技术在欧美等发达国家已经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

通过使用自主开发的测区分块、数据提取软件自动完成各分块的POS数据和航片数据的提取分类工作，然后在人工完成各区块控制点刺控的工作以后，通过软件自动将刺控好的XML分块数据转换为所需的各类坐标系分块数据，最后导入Context Capture建模软件进行空三运算，实现数据一次处理，不同坐标系数据自由转换运算的目的。

主要创新点在于使用航飞过程中存储的全球通用的WGS84地心坐标系GPS数据，使用直观的方式在GoogleEarth上划定分区区块，通过软件算法的处理即可实现大数据量的区块划分和归类数据整理工作，极大降低了作业人员的工作强度，提高了工作的准确性。为了保证实景三维模型的高精度，需要对测区内的控制点进行刺控，由于倾斜摄影的特点，同一曝光点会同时产生5张不同角度的航空影像，因此存在数据量大重叠度高的特点，因此控制点刺控的工作较传统方法更为复杂，在保证统一的刺控标准下，实现了一次控制点刺控，多种不同坐标系数据自动转换，避免了大强度的重复劳动。通过开发的软件自动化处理，对以上两点工作的快速准确的完成有了质的提高，尤其是大范围的倾斜摄影测量工作具有重要的实际意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于航空摄影的数字测量三维建模方法，其特征在于：以GPS全球定位系统的WGS84地心坐标系为基础，使用数字地球GoogleEarth里创建的KML文件进行测区分块的范围划分，通过制定的技术流程方案完成所有分块和不同坐标系的数据转换，具体方案流程如下：

步骤a.根据地面分辨率要求及山区起伏情况确定每条航线的绝对航高；通过航空遥感飞行获取包括倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据的原始数据；

步骤b.使用GoogleEarth完成测区的分块划分，并将每一分块存储为kml文件，打开分区数据提取转换工具，导入带POS数据的xml文件和各kml分块文件，软件将自动对每一张航片的GPS坐标点进行判断识别是否在KML所划定的范围内，完成航片的区块分类准备工作；

步骤c.对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理，对倾斜影像数据、GNSS数据及IMU数据进行整理及坐标转换，算出组合导航数据初始值；

步骤d.整体空三和先分块空三、再合并空三，得出相应的空三结果及空三报告，比较不同条件下的空三结果及空三报告，选择最优结果，用于山区实景三维建模，以形成清晰精确的三维地理信息数据；

步骤e.再次打开分区数据提取转换工具，导入带刺控的xml文件，选择所需转换的指定坐标系，再选择已转换好的指定坐标系的POS数据文件，软件将自动将每张航片的坐标数据对应转换为指定的坐标系数据，这样就实现了一次控制点刺控，不同坐标系数据的自由转换；

步骤f.将转换好坐标系数据后的xml文件导入Context Capture软件，就可马上进行相应坐标系的空三加密计算和建模工作。

2.根据权利要求1所述的基于航空摄影的数字测量三维建模方法，其特征在于：测量山区地形时，若山区起伏小，即山区内部高差小，在相同地面分辨率的要求下，相对航高保持一致，这样所有航线就处于相同的绝对航高；若山区起伏大，即山区内部高差大，在相同地面分辨率的要求下，航线就处于不同的绝对航高；反之，若要求所有航线都处于相同的绝对航高，则起伏小的山区对应的数据具有相同的地面分辨率；起伏大的山区对应的数据具有不同的地面分辨率。

3.根据权利要求1所述的基于航空摄影的数字测量三维建模方法，其特征在于：测量城市地形时，针对各个建筑物,一方面将该建筑物的各个顶点投影至正视角航带影像中,获取建筑物顶面纹理，所述正视角航带影像为倾斜摄影飞行航带中所有正视角航空影像的影像集合，另一方面从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理；建筑物实景三维模型建立:针对各个建筑物,先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上，然后判断该建筑物侧面是否存在细节不清晰或纹理模糊的待修正区域，若存在，则截取与该建筑物几何模型侧面相对应的且具有定向元素的车载移动测量影像,来对所述待修正区域进行修正，得到具有精细纹理信息的建筑物实景三维模型。

4.根据权利要求1所述的基于航空摄影的数字测量三维建模方法，其特征在于：所述步骤b的具体内容为打开自主开发的分区数据提取转换工具，导入带POS数据的xml文件和各kml分块文件，软件将自动对每一张航片的GPS坐标点进行判断识别是否在KML所划定的范围内，若是则提取相关航片的照片数据和对应的POS外方位元素，航片存入指定的分类文件夹，POS数据自动导出为Excel文件，并生成仅包含所分区块航片数据的xml文件，通过此步骤操作，完成航片的区块分类准备工作。