CN111583411A - 一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，属于三维地理信息领域，其包括如下步骤：S1、无人机拍摄；S2、像控点布设；S3、侧面像片采集；S4、像片预处理；S5、空三加密；S6、点云匹配；S7、三角网生成及纹理贴图。本发明构建建筑三维实景模型时，尤其用于历史建筑的街巷区域，可全方位地展示了建筑的顶部、立面信息，高程位置准确，纹理真实，拍摄方法灵活，且大大节约了时间，提高了工作效率，测量成本亦可取得有效控制。
Description
技术领域
本发明涉及三维地理信息的技术领域，尤其是涉及一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法。
背景技术
倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，它打破了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在无人机上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。
但是，利用无人机倾斜摄影技术倾斜拍摄建筑的顶部和侧面的纹理数据，构建的三维模型侧面存在严重的拉伸现象,主要原因如下：
(1)由于像片数据是从空中俯瞰拍摄的，模型侧面缺少纹理信息；
(2)建筑密集区域，建筑间距小，存在大量的遮挡；
(3)由于相机中心投影的特征，焦平面上不同区域对像片的放大率不同而造成像片中心至边缘的变形依次增大；
(4)地形起伏较大及建筑高差较大区域，拍摄的像片存在严重的畸变。
因此，若是对三维建模成型质量要求较高的建模对象，如历史建筑，无人机倾斜摄影因其自身存在的缺点并不适用。但可通过激光扫描系统进行建模，其具有一些明显的优点，如快速、数据量大、精度高且操作简单，可根据物体大小的不同和测量距离的需要，在三种镜头间进行任意切换。也正因为激光扫描的数据处理量大，其建模成本也极高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，具有三维模型建立纹理清晰且成本有效降低的效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，包括如下步骤：
S1、无人机拍摄：使用无人机对测区建筑进行倾斜、正射航拍，获取建筑顶部及侧面的纹理数据；
S2、像控点布设：实地选取像控点，控制像控点误差；
S3、侧面像片采集：采用非量测相机，在S2中已选取的像控点处对建筑的侧面进行近景摄影测量；
S4、像片预处理：分析S1中的无人机相片和S3中的侧面像片，比较出二者像片质量优的进行匀光匀色；
S5、空三加密：利用少量S2中实地像控点计算待求点的平面位置、高程，通过光束法区域网整体平差，确定测区内所有影像的外方位元素和加密点坐标成果，实现模型的空三加密；
S6、点云匹配：基于S5中光束法区域网整体平差所输出的外方位元素成果，与S4中质量较优的像片进行匹配并组成三维像对，对所有三维像对分别进行点云匹配计算，并将这些像对点云进行汇总合并；
S7、三角网生成及纹理贴图：根据测区内的密集点云构建不规则三角网，并生成无纹理的三维模型，采用纹理映射算法对每个模型的三角面自动赋予纹理，自动快速的选取清晰的纹理贴在对应位置的三维模型面上，并输出纹理清晰的三维模型。
通过采用上述技术方案，利用倾斜摄影测量先大规模采集数据，同一地点的侧面像片再通过近景摄影测量多次进行采集以从中选择最佳纹理。而近景摄影测量是基于图像的建模方法，且从三维信息获取速度、可靠性以及灵活性而言，可满足绝大多数的实际需求，并对倾斜摄影测量的劣势进行弥补。因此采用近景摄影测量与倾斜摄影测量相结合的方式，相比于激光扫描而言，可在测算成本上大幅降低，同时最终亦可得出纹理清晰的三维模型。
本发明进一步设置为：所述S3中近景摄影测量拍摄时同一个部件至少采集3张不同的照片，照片重叠度不低于60%，拍摄方向最大角差不超过15°。
通过采用上述技术方案，可较为全面的覆盖测区模型的所有特征，若重叠度过低或者拍摄方向角差超过15°，则会导致最终建模时部分结构纹理不完整，质量较低。
本发明进一步设置为：所述S4中位于像片匀光匀色之前还增设步骤：
相机检测：测定S1和S3中所使用的相机主点坐标、焦距f、光学畸变系数和感光元件面阵内畸变系数；
像片畸变差校正：根据步骤相机检测中的畸变系数对无人机像片和侧面像片质量较优的像片进行畸变差校正。
通过采用上述技术方案，由于无人机摄影的原始数据因获取位置距离地面较远，受拍摄角度、背光、逆光等多重因素影响，经过畸变差纠正步骤后再进行均光匀色，可增强地物情况的真实客观性。
本发明进一步设置为：所述S3中相机采用全画幅且拍摄的像片大于8000万像素的单反相机。
本发明进一步设置为：所述S1中在无人机进行航拍之前先增设步骤测区分区：根据测区的地理特征情况，将测区分成多个作业分区，然后根据每个作业分区的面积具体划分作业子区，按照每个作业子区实际范围，划定建模区域。
通过采用上述技术方案，将测区分区后，可便于勘察人员对各个作业子区进行建模工作。
本发明进一步设置为：所述S7之后增设步骤三维模型的检查与修正：检查模型中的结构是否存在异常，并对异常模型进行修复或重建。
通过采用上述技术方案，由于三维模型在摄像过程中势必会存在少部分的死角，以及点云数据自动匹配时也存在一定的误差，三维模型会存在无三角网的空洞区域，最终导致三维模型存在质量问题，通过检查与修整后，方可满足精细化三维建模的需求。
本发明进一步设置为：所述步骤三维模型的检查与修整中模型结构存在异常的情况包括：
a、是否存在纹理翘曲、破洞、搭连；
b、水面、玻璃是否存在凹凸不平、破洞、反光；
c、整体场景有无悬浮物体。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.使用无人机对建筑进行倾斜、正射航拍，结合建筑的侧面进行近景摄影测量数据构建建筑三维实景模型，全方位地展示了建筑的顶部、立面信息；
2.构建的三维模型平面高程位置准确、纹理真实；
3.采用无人机倾斜摄影和近景像片采集相结合的方法，与传统的手工构建三维模型方法相比，大大节约了时间，提高了工作效率，且与激光扫描相比，大大降低了测量成本。
具体实施方式
以下对本发明作进一步详细说明。
一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，包括如下步骤：
S1、无人机拍摄：
a、步骤数据分区：根据测区的地理特征情况，将测区分成多个作业分区，然后根据每个作业分区的面积具体划分作业子区，按照每个作业子区实际范围，划定建模区域。测区的地理特征情况可由无人机位于不同高程的拍摄进行判定，同时还需结合无人机的续航时间。
b、使用无人机对多个作业子区的建筑进行倾斜、正射航拍，获取建筑顶部及侧面的纹理数据。其中，无人机的航摄比例尺及航线布设方向需根据实际单个作业子区以及实际航摄及建模区域面积，像片航向重叠度不低于60％，旁向重叠度不低于40％。航摄任务采用8000万像素以上的大幅面量测型专业航空相机，且至少包括1台垂直和4台倾斜照相机。
S2、像控点布设：实地选取像控点，控制像控点误差。
其中，像控点一般按航线全区统一布设，布设在同一位置的平面点和高程点，应尽量联测成平高点；相邻像对和相邻航线之间的像控点应尽量公用。当航线间像片交错排列而不能公用时，必须分别布点；位于自由图边或非连续作业的待测图边的像控点，一律在图阔线外，确保成图满幅；像控点尽可能在摄影前布设地面标志，以提高刺点精度，增强外业控制点的可靠性；点位必须选择在像片上的明显目标点，以便于正确的互相转刺和立体观察时辨认点位。
S3、侧面像片采集：利用非量测相机，位于S2中选取的像控点处对建筑的侧面进行近景摄影测量，相机采用全画幅且拍摄的像片大于8000万像素的单反相机，且在该相机上加装POS系统，POS系统用于接收GPS信息，以记录拍摄瞬间相机的准确位置；近景摄影测量拍摄时同一个部件至少采集3张不同的照片，照片重叠度不低于60%，拍摄方向最大角差不超过15°。
其中，拍摄方向是指相机在水平面或垂直面上的光轴线与被摄体正面方向所成的夹角，本实施例中水平面角度与垂直面角度的最大角差均不超过15°。
S4、像片预处理：
a、相机检测：利用基于二维控制场检校法对S1和S3中所使用的相机主点坐标、焦距f、光学畸变系数和感光元件面阵内的畸变系数进行检测；
b、像片畸变差校正：利用LensDistortion畸变差纠正工具，输入步骤相机检测中的畸变参数，并选择无人机像片和侧面像片之间质量较优的像片导入软件内，进行畸变差校正；
其中，有关无人机像片与侧面像片中质量较优的像片具体方法如下：
(1)输出S1中无人机的拍摄影像信息以及S3中POS系统影像信息，将用于拍摄相同拍摄范围的像片进行分类归集；
(2)根据影像的外方位元素，将上述已分类归集的影像朝向划分为前视、左视、右视、后视4个朝向，再对已获取影像的朝向进行判定，获得4个朝向的影像集合；
(3)将建筑物面的中点与影像摄影中心投影至地平面，并得到在地平面上的向量，计算该向量与建筑物面法向量的夹角，若所得到的夹角越小，则说明影像的朝向越合适，该影像即为最接近正射角度的影像，变形最小，因此建筑物侧面纹理的获取也更加清晰准确。
若发生两张影像的上述向量夹角相等时需再通过人为进行挑选，选择时需综合分析以下因素：①像片的曝光度(即亮度和暗度)是否适当；②像片的颜色饱和度(即颜色鲜艳度)是否适当；③像片的对焦是否清晰；④像片的颗粒感(即主要建筑特征在整体像片中的构图比率以及位置)是否突出。
c、像片匀光匀色：采用OrthoVista软件对步骤b中已经进行过畸变差校正的照片进行匀光匀色，可进一步提高与改善影像整体的亮度、对比度及色彩一致性。
S5、空三加密：利用少量实地像控点计算待求点的平面位置、高程，通过光束法区域网整体平差，确定测区内所有影像的外方位元素和加密点坐标成果，实现模型的空三加密。
S6、点云匹配：基于S5中光束法区域网整体平差所输出的外方位元素成果，与S4中质量较优的像片进行匹配并组成三维像对，对所有三维像对分别进行点云匹配计算，并将这些像对点云进行汇总合并。
S7、三角网生成及纹理贴图：采用Delaunay三角网算法，根据每个作业子区内的密集点云构建不规则三角网(TIN)，并生成无纹理的三维模型。采用逆向纹理映射算法对每个模型的三角面自动赋予纹理，并采用OpenGL软件自动快速地选取最清晰的纹理贴在对应位置的三维模型面上，输出纹理清晰逼真的三维模型。
S8、步骤三维模型的检查与修正：检查S7中所生成的模型中结构是否存在异常，通过Osketch、3Dmax、Dp-modeler等模型修复软件进行修复。其中，模型结构存在异常的情况包括：
a、是否存在纹理巧曲、破洞、搭连；
b、水面、玻璃是否存在凹凸不平、破洞、反光；
c、整体场景有无悬浮物体。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、无人机拍摄：使用无人机对测区建筑进行倾斜、正射航拍，获取建筑顶部及侧面的纹理数据；
S2、像控点布设：实地选取像控点，控制像控点误差；
S3、侧面像片采集：采用非量测相机，在S2中已选取的像控点处对建筑的侧面进行近景摄影测量；
S4、像片预处理：分析S1中的无人机相片和S3中的侧面像片，比较出二者像片质量优的进行匀光匀色；
S5、空三加密：利用少量S2中实地像控点计算待求点的平面位置、高程，通过光束法区域网整体平差，确定测区内所有影像的外方位元素和加密点坐标成果，实现模型的空三加密；
S6、点云匹配：基于S5中光束法区域网整体平差所输出的外方位元素成果，与S4中质量较优的像片进行匹配并组成三维像对，对所有三维像对分别进行点云匹配计算，并将这些像对点云进行汇总合并；
S7、三角网生成及纹理贴图：根据测区内的密集点云构建不规则三角网，并生成无纹理的三维模型，采用纹理映射算法对每个模型的三角面自动赋予纹理，自动快速的选取清晰的纹理贴在对应位置的三维模型面上，并输出纹理清晰的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述S3中近景摄影测量拍摄时同一个部件至少采集3张不同的照片，照片重叠度不低于60%，拍摄方向最大角差不超过15°。
3.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述S4中位于像片匀光匀色之前还增设步骤：
相机检测：测定S1和S3中所使用的相机主点坐标、焦距f、光学畸变系数和感光元件面阵内畸变系数；
像片畸变差校正：根据步骤相机检测中的畸变系数对无人机像片和侧面像片质量较优的像片进行畸变差校正。
4.根据权利要求3所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述S3中相机采用全画幅且拍摄的像片大于8000万像素的单反相机。
5.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述S1中在无人机进行航拍之前先增设步骤测区分区：根据测区的地理特征情况，将测区分成多个作业分区，然后根据每个作业分区的面积具体划分作业子区，按照每个作业子区实际范围，划定建模区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述S7之后增设步骤三维模型的检查与修正：检查模型中的结构是否存在异常，并对异常模型进行修复或重建。
7.根据权利要求1所述的一种基于倾斜摄影的三维模型建立方法，其特征在于：所述步骤三维模型的检查与修整中模型结构存在异常的情况包括：
a、是否存在纹理巧曲、破洞、搭连；
b、水面、玻璃是否存在凹凸不平、破洞、反光；
c、整体场景有无悬浮物。
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