CN112465969A - 基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统，包括如下步骤：第一步，系统根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向，通过解算得到无人机飞行轨迹内相邻照片间的相对位置和姿态数据信息，构建得到若干独立拍摄控制点的空间三维模型；第二步，系统根据图像数据空间三维相似变换原理对第一步得到的若干独立拍摄控制点的空间三维模型进行连接，得到对应的由若干独立拍摄控制点组成的集合飞行轨迹空间三维模型，本发明在原有基础空间三维解算算法的基础上建立并采用兼顾无人机拍摄照片延迟的空间定位辅助平差算法模型对无人机采集的照片数据信息进行空间三维算法处理，提高三维模型的空间测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模技术领域，具体为基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统。
背景技术
近年来无人机低空摄影、图像三维建模测量技术快速发展，进一步地突破了传统摄影测量技术的局限性，相关技术广泛应用于城市管理和勘查设计等行业。利用无人机搭载专用航摄相机，从多个角度进行倾斜影像采集，再通过计算机软件对无人机采集到的倾斜影像数据进行空间三维解算处理，软件解算内容大体包括对影像数据进行稀疏匹配生成三维稀疏点云数据；然后对影像数据进行核线纠正，生成核线影像，在核线影像上对稀疏点云进行快速密集匹配，获取同名像点，生成视差图，将视差值转为深度值，得到深度图，再由深度图生成三维密集点云；最后对点云数据进行点云构网，得到最终的三维实景模型。
三维模型是一种对三维空间信息的可视化表达，可在计算机环境下更逼真、精细化地重现三维场景。基于无人机拍摄的多视图影像数据进行三维建模，在用无人机进行目标场景的图像采集之后，需要使用计算机视觉三维建模软件系统中的空间三维处理算法对无人机采集到的多视图影像数据进行空三解算，如果想要保证后期三维模型的精度，就必须保证系统软件对图像数据的空三解算结果的精度与质量。
通常情况下为了得到纹理细腻的三维实景模型，需要采用无人机对目标场景拍摄大量重合度满足一定要求的影像照片作为后期计算机视觉三维建模软件系统的基础建模数据，这些照片除了分别在不同位置记录了重合度较高的目标场景影像，同时还记录了照片对应点位的空间方位信息。目前由于采用无人机获取影像数据时，每张照片的相机拍摄时刻与实际相机成像完成时刻之间存在延迟，这就直接导致每张照片上记录的空间方位信息不准确，最终导致计算机视觉三维建模软件系统对于图像数据解算的空三结果精度较差，以至于影响最终形成三维模型的应用质量。
为优化基于无人机影像信息空间三维解算方法，解决计算机视觉三维建模软件系统建模结果测量精度低的问题，推动计算机视觉三维重建技术的发展，开发一种新的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统，以解决上述背景技术中为优化基于无人机影像信息空间三维解算方法，解决计算机视觉三维建模软件系统建模结果测量精度低的问题，推动计算机视觉三维重建技术发展的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法，包括如下步骤：
第一步，系统根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向，通过解算得到无人机飞行轨迹内相邻照片间的相对位置和姿态数据信息，构建得到若干独立拍摄控制点的空间三维模型；
第二步，系统根据图像数据空间三维相似变换原理对第一步得到的若干独立拍摄控制点的空间三维模型进行连接，得到对应的由若干独立拍摄控制点组成的集合飞行轨迹空间三维模型；
第三步，系统根据空间三维相似变换原理计算目标环境成像区内无人机所有飞行轨迹内和飞行轨迹间所拍摄照片影像间的相对位置和姿态数据信息，生成目标环境成像区域的自由网空间三维模型；
第四步，系统将构建的自由网空间三维模型作为初值，根据无人机拍摄照片时对每一张照片定位并标注的已知控制点信息，对模型中的像素控制点及其信息进行手工转刺或自动导入，利用控制点坐标对自由网模型进行绝对定向，将区域自由网模型转换至控制点坐标系中，通过加入空间定位辅助算法进行控制网平差，对无人机拍摄的照片GPS空间定位信息进行检测、矫正和剔除粗差，得到控制点坐标系下稳定的外方位元素和加密点坐标。
优选的，所述三维建模方法是基于原有基础空间三维解算算法的基础上建立，通过在空间三维解算算法内对各个拍摄点的拍摄延迟误差进行逐点拍摄时间及位移补偿，可得到航摄照片精确的内、外方位元素信息。
优选的，所述空间三维解算算法的数学模型如下：
其中，
[x y -f]T为像点(x,y)的像空间坐标；
λ为投影系数；
[x0 y0 z0]T为GPS天线相位中心在像空间坐标系下的坐标；
[X Y Z]T为像点所对应的像空间辅助坐标；
Δt为相机的曝光延迟时间。
基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，包括无人机照片影像采集平台和云计算平台，所述无人机照片影像采集平台和云计算平台之间通过网络进行数据传输，所述无人机照片影像采集平台将采集的照片影像和空间位置数据传输到云计算平台内，所述云计算平台用于建立空间三维模型；
所述无人机照片影像采集平台内设置有飞行控制系统、采集模块和GPS差分模块，所述采集模块和GPS差分模块与飞行控制系统连接；
所述云计算平台内设有数据接收模块、数据运算模块和数据处理模块，所述数据接收模块将接收的数据传输的到数据接收模块内。
优选的，所述采集模块用于拍摄照片，所述GPS差分模块用于记录空间位置；
所述飞行控制系统用于控制采集模块和GPS差分模块，并向采集模块发出照片拍摄信号，向GPS差分模块发出空间位置记录信号。
优选的，所述采集模块为搭载在无人机上的航摄相机。
优选的，所述数据处理模块用于对数据运算模块处理后的数据进行三维建模。
优选的，所述数据运算模块用于根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向和解算。
本发明提供了基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统，具备以下有益效果：
本发明通过结合无人机摄影测量的作业特点，考虑航摄机拍摄时刻各个拍摄点的时间延迟误差影响及各个拍摄点瞬间的位置偏移不一致，在原有基础空间三维解算算法的基础上建立并采用兼顾无人机拍摄照片延迟的空间定位辅助平差算法模型对无人机采集的照片数据信息进行空间三维算法处理，将照片拍摄相对于GPS空间定位信息的延迟参数作为求解未知量，与其他系统误差带入方程组内进行模型解算，通过在空间三维解算算法内对各个拍摄点的拍摄延迟误差进行逐点拍摄时间及位移补偿,可得到航摄照片精确的内、外方位元素信息，提高三维模型的空间测量精度。
附图说明
图1为本发明的无人机照片影像采集平台航拍照片GPS空间位置信息记录方式；
图2为本发明的无人机照片影像采集平台作业时航拍相机的拍摄延迟误差在各飞行轨迹和照片拍摄点的大致示意图；
图3为本发明的系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1-2所示，本发明提供一种技术方案：基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法，包括如下步骤：
第一步，系统根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向，通过解算得到无人机飞行轨迹内相邻照片间的相对位置和姿态数据信息，构建得到若干独立拍摄控制点的空间三维模型；
第二步，系统根据图像数据空间三维相似变换原理对第一步得到的若干独立拍摄控制点的空间三维模型进行连接，得到对应的由若干独立拍摄控制点组成的集合飞行轨迹空间三维模型；
第三步，系统根据空间三维相似变换原理计算目标环境成像区内无人机所有飞行轨迹内和飞行轨迹间所拍摄照片影像间的相对位置和姿态数据信息，生成目标环境成像区域的自由网空间三维模型；
第四步，系统将构建的自由网空间三维模型作为初值，根据无人机拍摄照片时对每一张照片定位并标注的已知控制点信息，对模型中的像素控制点及其信息进行手工转刺或自动导入，利用控制点坐标对自由网模型进行绝对定向，将区域自由网模型转换至控制点坐标系中，通过加入空间定位辅助算法进行控制网平差，对无人机拍摄的照片GPS空间定位信息进行检测、矫正和剔除粗差，得到控制点坐标系下稳定的外方位元素和加密点坐标。
利用无人机搭载专用相机从多个角度进行倾斜影像采集、获取照片数据时，因无人机体积小、载重轻，常用的影像采集搭载设备为专用航摄相机，定位搭载设备为导航型GPS，两种挂载分别用来采集照片和为每一张拍摄照片标注空间位置信息。图1为当前无人机照片影像采集平台采用的一种较常见的航摄照片GPS空间位置信息记录方式。
由图1可知，当飞控系统同时将拍摄与定位信号发送给航摄相机和GPS差分模块时，由于航摄相机从接收信号到执行拍摄指令需要一定的反应时间导致拍摄照片延迟，从而造成GPS差分模块标注的空间定位信息与航摄相机拍摄照片的空间位置两者不同步，GPS差分模块记录的对应照片的空间定位信息要早于航摄相机拍摄照片所在的位置。
现有基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统软件的空间三维解算算法并未顾及到无人机在获取照片影像时存在的GPS空间定位点延迟误差，导致算法的平差结果精度较低。因此，需要将无人机拍摄照片时产生的拍摄延迟时间作为未知参数引入至计算机视觉三维建模软件系统中的空间三维处理算法中，以解决这种曝光延迟带来的误差影响。
结合无人机摄影测量的作业特点，考虑航摄机拍摄时刻各个拍摄点的时间延迟误差影响及各个拍摄点瞬间的位置偏移不一致，基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统在原有基础空间三维解算算法的基础上建立并采用兼顾无人机拍摄照片延迟的空间定位辅助平差算法模型进行空间三维算法处理，将照片拍摄相对于GPS空间定位信息的延迟参数作为求解未知量，与其他系统误差带入方程组内进行模型解算，通过在空间三维解算算法内对各个拍摄点的拍摄延迟误差进行逐点拍摄时间及位移补偿,可得到航摄照片精确的内、外方位元素信息，提高三维模型的空间测量精度，空间三维解算算法的数学模型如下：
其中，
[x y -f]T为像点(x,y)的像空间坐标；
λ为投影系数；
[x0 y0 z0]T为GPS天线相位中心在像空间坐标系下的坐标；
[X Y Z]T为像点所对应的像空间辅助坐标；
Δt为相机的曝光延迟时间。
实施例2：
如图3所示，本发明提供一种技术方案：基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，包括无人机照片影像采集平台和云计算平台，所述无人机照片影像采集平台和云计算平台之间通过网络进行数据传输，所述无人机照片影像采集平台将采集的照片影像和空间位置数据传输到云计算平台内，所述云计算平台用于建立空间三维模型；
所述无人机照片影像采集平台内设置有飞行控制系统、采集模块和GPS差分模块，所述采集模块和GPS差分模块与飞行控制系统连接；
所述云计算平台内设有数据接收模块、数据运算模块和数据处理模块，所述数据接收模块将接收的数据传输的到数据接收模块内。
进一步的，所述采集模块用于拍摄照片，所述GPS差分模块用于记录空间位置；
所述飞行控制系统用于控制采集模块和GPS差分模块，并向采集模块发出照片拍摄信号，向GPS差分模块发出空间位置记录信号。
进一步的，所述采集模块为搭载在无人机上的航摄相机。
进一步的，所述数据处理模块用于对数据运算模块处理后的数据进行三维建模。
进一步的，所述数据运算模块用于根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向和解算。
需要说明的是，基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法及系统，优化基于无人机影像信息空间三维解算方法，解决了计算机视觉三维建模软件系统建模结果测量精度低的问题，推动了计算机视觉三维重建技术的发展。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，系统根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向，通过解算得到无人机飞行轨迹内相邻照片间的相对位置和姿态数据信息，构建得到若干独立拍摄控制点的空间三维模型；
第二步，系统根据图像数据空间三维相似变换原理对第一步得到的若干独立拍摄控制点的空间三维模型进行连接，得到对应的由若干独立拍摄控制点组成的集合飞行轨迹空间三维模型；
第三步，系统根据空间三维相似变换原理计算目标环境成像区内无人机所有飞行轨迹内和飞行轨迹间所拍摄照片影像间的相对位置和姿态数据信息，生成目标环境成像区域的自由网空间三维模型；
第四步，系统将构建的自由网空间三维模型作为初值，根据无人机拍摄照片时对每一张照片定位并标注的已知控制点信息，对模型中的像素控制点及其信息进行手工转刺或自动导入，利用控制点坐标对自由网模型进行绝对定向，将区域自由网模型转换至控制点坐标系中，通过加入空间定位辅助算法进行控制网平差，对无人机拍摄的照片GPS空间定位信息进行检测、矫正和剔除粗差，得到控制点坐标系下稳定的外方位元素和加密点坐标。
2.根据权利要求1所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法，其特征在于：所述三维建模方法是基于原有基础空间三维解算算法的基础上建立，通过在空间三维解算算法内对各个拍摄点的拍摄延迟误差进行逐点拍摄时间及位移补偿，可得到航摄照片精确的内、外方位元素信息。
3.根据权利要求2所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模方法，其特征在于：所述空间三维解算算法的数学模型如下：
其中，
[x y -f]T为像点(x,y)的像空间坐标；
λ为投影系数；
[x0 y0 z0]T为GPS天线相位中心在像空间坐标系下的坐标；
[X Y Z]T为像点所对应的像空间辅助坐标；
Δt为相机的曝光延迟时间。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，包括无人机照片影像采集平台和云计算平台，其特征在于：所述无人机照片影像采集平台和云计算平台之间通过网络进行数据传输，所述无人机照片影像采集平台将采集的照片影像和空间位置数据传输到云计算平台内，所述云计算平台用于建立空间三维模型；
所述无人机照片影像采集平台内设置有飞行控制系统、采集模块和GPS差分模块，所述采集模块和GPS差分模块与飞行控制系统连接；
所述云计算平台内设有数据接收模块、数据运算模块和数据处理模块，所述数据接收模块将接收的数据传输的到数据接收模块内。
5.根据权利要求4所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，其特征在于：所述采集模块用于拍摄照片，所述GPS差分模块用于记录空间位置；
所述飞行控制系统用于控制采集模块和GPS差分模块，并向采集模块发出照片拍摄信号，向GPS差分模块发出空间位置记录信号。
6.根据权利要求4所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，其特征在于：所述采集模块为搭载在无人机上的航摄相机。
7.根据权利要求4所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，其特征在于：所述数据处理模块用于对数据运算模块处理后的数据进行三维建模。
8.根据权利要求4所述的基于无人机航拍影像数据的实时三维建模系统，其特征在于：所述数据运算模块用于根据无人机拍摄的照片间同名特征点和相机的设定参数进行相对定向和解算。
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