CN112150630A - 用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法 - Google Patents

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Abstract

一种用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法，属于工业建筑技术领域。采用无人机航空摄影测量与地面摄影测量相结合方式获取影像数据，充分获取整个测区及主要街道高清影像，同时配合经典地面控制测量方法，获取地面控制点提高测区三维模型精度及地理坐标系统的统一。优点在于，解决了无法有效地将工业园区整体模型应用于设计规划改造的问题。使之具备承载现状统计、规划分析、拆迁管理所需基本信息的条件；实现了工业建构筑整体精细建模。

Description

用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法
技术领域
本发明属于工业建筑建模技术领域，特别是涉及一种用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法，实现了工业建构筑整体精细建模。
技术背景
摄影测量在测绘技术发展的历史中经历了三个阶段，分别为模拟摄影测量阶段、解析摄影测量阶段和数字摄影测量阶段，现在已经全面进入全数字摄影测量时代。它提供一种快捷、经济和高精度生产4D(DEM、DOM、DLG和DRG)产品的高新技术，航空摄影测量一般应用的区域是比较大的范围。已经可以较为成熟的应用于民用领域，但是对于工业领域的使用较少，因为工业领域建构筑物不规则，大型设备细节复杂，互相遮挡较多。采用航空摄影测量达到效果一般，不能满足设计人员提出的需求。
而对于复杂的工业建筑，在结合现状、规划和拆迁分析时又往往会要求各GIS要素模型至少具备完整性和较高的精度要求。在对上述复杂的工业建筑进行GIS建模时，需结合设计需求进行高精度建模，用以辅助规划设计改造等工程任务。
按照GIS(地理信息系统)规范进行大面积手工模型虽然精度要求可以做到很高，但是构建较为费时并且成本高，所以如何低成本快速的获取精度满足应用于规划改造等设计需求的工业三维模型是本次方法主要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法，解决了无法有效地将工业园区整体模型应用于设计规划改造的问题。使之具备承载现状统计、规划分析、拆迁管理所需基本信息的条件；实现了工业建构筑整体精细建模。使工业建构筑在地理信息领域提高规划设计改造效率，有助于合理地对包含工业建筑在内的建筑设施进行划分，使之符合或达到生产具有一定的深度和广度的地理信息数据的基本要求；同时，对于以往比较难于附着于整体或单体建构筑上的属性信息等数据内容提供了一种具备实施价值的方法。利用该方法也有助于在规划建设领域快速形成现状分析和方案布置以及决策辅助。
本发明采用无人机航空摄影测量与地面摄影测量相结合方式获取影像数据，充分获取整个测区及主要街道高清影像，同时配合经典地面控制测量方法，获取地面控制点提高测区三维模型精度及地理坐标系统的统一。具体步骤如下：
1、无人机数据获取
选用固定翼加六旋翼倾斜摄影设备，航摄影像分辨率0.03M，对工业园区进行航拍，测区航线沿直线方向布设，平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头，以便获取测区范围内的有效影像。确保航拍影像的质量，增加每个架次的航带以及各航带的照片数量，使其航向重叠率不低于80％(理论上限为无限接近100％)，旁像重叠不低于60％(理论上限为无限接近100％)，采用等距离曝光模式进行航拍。
2、内业数据处理
采用Smart3D专业软件对采集的数据进行分析处理，该软件能够大幅度减少人工干预利用连续多角度影像生成高密度点云，并在此基础上全自动地将纹理映射到对应的模型上，快速生成具有真实影像纹理的三维场景。
3、影像预处理
无人机拍摄影像任务完成之后，需要获取的影像进行质量检查，检查内容包括影像质量、文件格式、影像的重叠度、影像变形及POS信息与影像对应关系；对质量不佳的影像进行修复；此外，为保证影像色彩整体美观要求，还需要对原始影像进行匀光匀色，确保整个测区影像数据整体色调一致，且单张相片无偏色。
4、空三加密及实景三维模型构建
基于Smart3D专业软件平台，对多视影像进行区域网联合平差，结合POS系统提供的多视像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略，对每级影像进行同名点获取、自动匹配及自由网光束平差法、利用影像密集匹配技术自动匹配出所有影像的同名点坐标，进而生成对应地物高密度点云数据，精确表达该区域的地物细节。
基于点云数据来构建地物三角网模型，优化三角网，将内部三角网的尺寸调整至于原始影像分辨率相匹配的比例，分析连续曲面的变化，并简化相对平坦地区的三角网，降低数据冗余，构建TIN模型矢量框架；利用空三加密建立影像之间的三角关系形成TIN，再由TIN构成白模，软件自动从影像中获取对应的纹理，并将纠正后的影像纹理赋予到对应的白模上，最终生成区域的实景三维模型。
5、精度分析与效率对比
为评定无人机倾斜摄影测量建模精度，在测区范围内均匀选取地物特征点作为检查点。像控点和检查点都基于城市CORS系统，采用GPS-RTK进行野外测量，并将外业测量数据坐标作为实测值，在三维模型上量取坐标点位进行对比，检测其平面和高程精度。
本发明的优点在于：目前的各类相关数据成果、应用更多地偏重于城市规划以及民用方向，使得GIS数据的划分和成果的应用在工业园区改造的实际需求存在一定的差距。对于以工业为主的GIS环境而言，通过本发明找出一条适用于当前园区建设特点要求的，即符合行业标准要求，又符合工业建设特点的数据离散方法和技术，更符合工业园区转型发展的需要，也是将GIS数据成果有效利用的重要手段和前提。
具体实施方式
实施例1
结合某钢铁厂整体建模的精度需求，对本发明进行详细说明。具体步骤如下：
1设备准备，主要为固定翼搭载五镜头倾斜航摄仪，具体参数如下：
天星6号倾斜摄影版采用了超轻量的倾斜五镜头相机，单个相机2430万像素，APS-C画幅，倾斜相机使用35mm专用航空机械镜头，五相机总重量935克，为业内最轻量的高性能大靶面CCD固定翼航空相机。
Figure BDA0002690797580000041
多旋翼五镜头航摄系统参数
通过上述设备我们多维度、多角度获取重点区域的原始数据。充分发挥了固定翼五镜头设备作业效率高，多旋翼五镜头设备简单灵活，重点区域重点飞行，同时影像分辨率较高，与此同时项目实施过程中我们对重点飞行道路进行了地面相机补拍措施，保证道路两侧各类地物三维模型良好等。无人机在拍摄影像之后，影像的数量较多且像幅小，因此需要依据影像的特点及相机定标参数、拍摄姿态数据以及有关几何模型对影像进行几何校正。
2航线设计
根据测区大小及精度要求，我们采用固定翼飞行两个架次，多旋翼根据重要道路沿线手动飞行补拍和加密道路两侧图片，航线设计为井字形，测区内部全部覆盖，测区外部及周边覆盖率为百分之八十以上。多旋翼的使用为手动控制，目的是提高道路两侧模型纹理清晰度，高度30-40米左右。
3、像控布设方案
为了提高三维模型成果精度，保证模型坐标系为国家统一的平面坐标系，我们对测区布设了15个像控点。布设原则在测区边界附近一定要布设控制点，测区内部做到均匀分布，最好选取特征较为明显的位置布设控制点，也可以自己对布设的点位进行明显的标志处理，例如大面积喷绘红色油漆等方法。多视影像匹配是数字摄影测量的核心技术,基于多视影像的特点，多视影像匹配相较于传统的单一立体影像匹配有诸多优点：在多视影像中，由于数量较多，因此可以利用影像中的冗余信息，来对所拍摄地物中的错误匹配进行改正；另外可以利用多视影像中的信息，尽可能的对盲区的地物特征进行补充。
最高质量模型效果。数据处理软件采用Bentley ContextCapture(原Smart 3D)软件对原始数据进行处理，生成三维模型数据。该软件支持多种数据源、多角度数据源一起进行影像处理，生成三维模型。具体步骤为导入数据，空三加密，像控刺点，模型设计，三维建模。
4、内业建模
采用Bentley ContextCapture(原Smart 3D)软件对原始数据进行处理。
(1)原始相片导入，在软件初始界面选择批量导入即可。
(2)空中三角测量，对多视影像进行区域网联合平差，结合POS系统提供的多视像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略，对每级影像进行同名点获取、自动匹配及自由网光束平差法、利用影像密集匹配技术自动匹配出所有影像的同名点坐标，进而生成对应地物高密度点云数据。
(3)模型构建该步骤主要靠后处理软件自动提取像片的元素自动建模。该模型是基于全自动化的方式生成的，能够在短时间之内以较少的人力获得模型。在获得倾斜摄影影像之后，对数据进行处理之后，将数据导入到专业测绘软件之后，即可通过软件获得地物的三维模型。基于这种方法生成模型之前，对数据处理的方式比较复杂，需要对数据进行匀色匀光处理，并经过多视角的几何校正和联合平差的处理方法。将处理完成的影像数据转换成超高密集点云，由此来创建TIN模型，并用该模型来生成基于该影像纹理的高分辨率的倾斜摄影模型，有高分辨率和超高密集点云生成的三维模型符合倾斜影像的测绘级精度。
(4)提交模型输入坐标系该步骤目的是为了使生成的整体模型具备坐标及高程，使其后期可更好的应用与设计改造的需求。
(5)根据需求选择模型成果输出格式使用较多的格式为.OSGB。

Claims (1)

1.一种用固定翼加多旋翼无人机解决工业园区高精度建模方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)无人机数据获取
选用固定翼加六旋翼倾斜摄影设备，航摄影像分辨率0.03M，对工业园区进行航拍，测区航线沿直线方向布设，平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头，以便获取测区范围内的有效影像。确保航拍影像的质量，增加每个架次的航带以及各航带的照片数量，使其航向重叠率不低于80％，旁像重叠不低于60％，采用等距离曝光模式进行航拍；
(2)内业数据处理
采用Smart3D专业软件对采集的数据进行分析处理，该软件能够大幅度减少人工干预，利用连续多角度影像生成高密度点云，并在此基础上全自动地将纹理映射到对应的模型上，快速生成具有真实影像纹理的三维场景；
(3)影像预处理
无人机拍摄影像任务完成之后，需要获取的影像进行质量检查，检查内容包括影像质量、文件格式、影像的重叠度、影像变形及POS信息与影像对应关系；对质量不佳的影像进行修复；此外，为保证影像色彩整体美观要求，还需要对原始影像进行匀光匀色，确保整个测区影像数据整体色调一致，且单张相片无偏色；
(4)空三加密及实景三维模型构建
基于Smart3D专业软件平台，对多视影像进行区域网联合平差，结合POS系统提供的多视像外方位元素，采用由粗到精的金字塔匹配策略，对每级影像进行同名点获取、自动匹配及自由网光束平差法、利用影像密集匹配技术自动匹配出所有影像的同名点坐标，进而生成对应地物高密度点云数据，精确表达该区域的地物细节；
基于点云数据来构建地物三角网模型，优化三角网，将内部三角网的尺寸调整至于原始影像分辨率相匹配的比例，分析连续曲面的变化，并简化相对平坦地区的三角网，降低数据冗余，构建TIN模型矢量框架；利用空三加密建立影像之间的三角关系形成TIN，再由TIN构成白模，软件自动从影像中获取对应的纹理，并将纠正后的影像纹理赋予到对应的白模上，最终生成区域的实景三维模型；
(5)精度分析与效率对比
为评定无人机倾斜摄影测量建模精度，在测区范围内均匀选取地物特征点作为检查点；像控点和检查点都基于城市CORS系统，采用GPS-RTK进行野外测量，并将外业测量数据坐标作为实测值，在三维模型上量取坐标点位进行对比，检测其平面和高程精度。
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