CN115147538B - 一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，包括以下步骤：S1、通过无人机正射提取目标区域现场影像和相关测量数据；S2、将正射采集得到的数据导入三维建模处理系统后运算得到目标区域空间实景三维模型；S3、通过每次环境监测巡飞时获取目标区域正射及三维重建得到当前时刻的实景三维数据后，自动进行该区域三维模型的动态更新。

Description

一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法

技术领域

本发明涉及无人机摄影测量技术领域，具体涉及一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法。

背景技术

当前无人机用于实景三维影像建模主要采用的是倾斜摄影的模式，通过无人机倾斜摄影提取影像以及影像测量数据；将得到的数据导入自动建模处理系统后得到空间实景三维建模；从而得到需要测量或者计算的数据。这种方式虽然相较于传统人力获取方式有很大的进步，但必须通过专业镜头利用无人机规划倾斜摄影航线来采集数据，无法利用日常执行飞行任务的无人机同时采集影像进行动态更新，因此就需要一种能够节省物力、人力的测量方法即相比传统倾斜摄影模式减少投入提高效率的测量方法，因此提出一种新的基于环境监测无人机日常执行任务的过程中采集目标区域的正射影像，自动化进行三维建模测量的方法，通过环境监测无人机摄影测量以后，将影像快速自动的生成三维模型，采用正射影像代替了常规倾斜摄影作业，节省了时间成本，效率高成本低并且能够实现快速的区域性动态更新，可在生态环境、城市管理、智慧城市、应急管理、减震救灾等行业领域里进行广泛应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，通过环境监测无人机正射影像获取的方式，获取的影像数据通过图像处理软件对影像进行匹配和拼接处理，最终得到正射影像图，以快速实现实景三维建模的动态更新模式。

无人机正射技术是指在飞行平台上搭载多台相机，从空中固定高度以垂直角度采集地面影像的技术。相较于倾斜摄影，正射模式无需从其他四个角度分布进行影像采集，同时采集获取的影像图片也只需要一个垂直角度的数量，相应的减少大量影像数量及建模时间，整体上节省超过80%的工作量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，包括以下步骤：

S1、通过无人机正射提取目标区域现场影像和相关测量数据；

S2、将正射采集得到的数据导入三维建模处理系统后运算得到目标区域空间实景三维模型；

S3、通过每次环境监测巡飞时获取目标区域正射及三维重建得到当前时刻的实景三维数据后，自动进行该区域三维模型的动态更新；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

（1）测区勘查：通过现场勘测了解目标区域的地形、地势等。

（2）航线规划：根据前期现场勘查结果，对目标作业区域进行正射航线规划设计。

（3）巡飞作业：远程控制无人机执行规划设计的正射航线，自动按既定要求完成巡飞作业；

（4）影像质检：对巡飞作业采集的影像进行质量检查，对于不符合规定质量要求的影像区域进行补飞作业；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

（1）数据导入：将质检合格后的数据导入到三维建模处理系统；

（2）空三运算：通过三维建模处理系统自动识别进行空三加密；

（3）三维模型重建：通过三维建模处理系统进行三维模型重建；

（4）成果输出：通过三维建模处理系统输出成果；

所述步骤S3具体包括以下步骤：将输出成果动态更新到服务器进行分发。

进一步的，一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，具体包括以下步骤：

(1)测区勘查：通过现场勘测了解目标区域的地形、地势，超过100米高度以上周边高层建筑物、信号发射塔、电力输送塔等，对高度超过100米以上的目标在航线规划系统中通过GIS页面进行位置标注；

(2)航线规划：根据前期现场勘查结果，并结合最新的区域影像图，对目标作业区域进行正射航线规划设计；首先结合环境监测任务范围在航线规划系统中规划正射航线，以确定无人机采集数据的区域大小，根据区域大小、机载相机类型、飞行时间，设定飞行参数，系统根据用户定义的飞行参数，自动计算需要生成的航点数量，预计里程，预计时间，预计照片数量，根据前期测区勘查获取标注的地物信息，调整航线以规避高度超过100米的地物，完成航线的规划；

（3）巡飞作业：采用多旋翼无人机作为飞行平台，外业现场作业人员通过移动应用客户端4G/5G网络连接系统平台，刷新加载已规划的正射航线任务列表，在航测区域自动执行已规划的正射航线飞行；按航线规划设定的相机、路线自动远程控制自动按要求完成巡飞作业，巡飞作业过程只需要执行一次正射航线即可；影像的地面分辨率优于7公分，个别地形高度落差大的区域优于10公分；

飞行前对本架次使用的设备、材料进行认真检查；航摄现场负责人要严格掌握天气标准，确保航摄影像质量；飞行前严格检查各项参数，确保设备安装和各项设置正确无误；飞机及人员抵达测区后，立即安排设备和材料的试飞、试照，为正式作业做好准备工作；作业期间，对飞机、相机和电源系统、记录系统进行定期检查，使其保持良好工作状态；注意机体上各部位的检查和飞控系统的测试，确保飞行安全；

（4）影像质检：对巡飞作业采集的影像进行质量检查，对于不符合规定质量要求的影像进行补飞作业；

（5）数据导入：将质检合格后的数据导入到三维建模处理系统；设置采样率，在空三的过程中对照片进行重采样空三，建模时仍旧使用原始分辨率影像；为每个照片组设置相机参数，根据所采用的相机类型手动或导入相机检校参数；

（6）空三运算：通过三维建模处理系统自动识别每张相片的相对位置和方向进行空三加密计算；设置空三名称、参与空三照片、定位/地理参考、空三参数设置，然后提交空三运算，Context Capture Center利用正视影像构建区域网，通过照片多视角影像同名点自动匹配；经过反复滤波、平差，解算得到符合精度要求的精确外方位元素，进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果，运算过程通过Context Capture Center显示完成进度；

（7）三维模型重建：通过Context Capture Center三维建模处理系统生成精准的三维模型以及每个格网面片的影像纹理；空三运算合格后，开始构建三维模型，通过进行测区分块设置、点云计算、TIN构建和对TIN进行滤波简化处理，利用处理后的TIN创建白模三维模型，然后再进行自助纹理映射，生成真三维模型；

（8）成果输出：通过ContextCapture Center三维建模处理系统生成多种GIS格式的精确地理参考三维模型，生成的三维网格数据格式选择；局域网内搭建集群式处理系统，其中一台作为主节点，其他计算机作为子节点组成集群；任务处理时，主节点分配任务到各子节点，子节点完成分配任务后提交会主节点，然后继续接收新任务，直到所有任务完成；

（9）三维动态更新：将输出得到最新的修改数据上传到服务器，平台接收到更新的修改数据后，实现动态的自动化的更新分发、发布，客户端即可加载显示最新的三维场景。

进一步的，所述步骤2中的正射航线采用“弓字折线型”正射航线，飞行参数设置为飞行高度120m、飞行速度10m/s、影像的旁向重叠率70%、横向重叠率80%、边距10m。

进一步的，所述步骤7中的三维模型重建的具体操作如下：重建时根据计算机性能调整重建范围及瓦片大小，分块进行计算重建；纹理映射时需进行色彩均衡，纹理大小设置为影像长边的1.5倍；三维影像数据纹理精度应接近下视影像地面分辨率；整个作业区域模型应完整，不能有空洞和不合理悬浮的面片，建筑物模型应自然，细节保留完整；通过Context Capture Center集群式处理系统选择产品类型，三维网格，空间参考系统，通常选择WGS 84/UTM投影，然后选中建模的分块，通过Context Capture Center三维建模处理系统软件自动生产符合精度要求的三维模型，系统会自动从多个角度影像中筛选出最合适的影像纹理贴图，从而获取最真实的实景三维模型效果。

进一步的，所述步骤8中的三维网格数据格式包括3MX、S3C、OSGB、OBJ、FBX和KML；主节点的本地存储，采用万兆光纤，子节点采用千兆局域网。

进一步的，所述步骤9中的数据的更新操作如下：首先更新服务器中数据库相应原始数据，然后在客户端中读取数据库中新的数据和相应区域的地物模型生成实景三维模型；基于统一的三维数据标准和系统接口标准，结合空间数据库技术、自动化建模技术、虚拟三维技术，可实现变化区域的快速三维更新，在三维场景中展示出空间位置和状态变化。

本发明的有益效果体现在：

本发明在基于环境监测无人机日常执行任务的过程中即可完成采集目标区域的正射影像，并且进行自动化三维建模测量，采用正射影像代替了常规倾斜摄影作业，节省了时间成本，效率高成本低并且能够实现快速的区域性动态更新，解决了倾斜摄影获取的数据量大，内业重建处理加工时间长的问题，可在生态环境、城市管理、智慧城市、应急管理、减震救灾等行业领域里进行广泛应用。

在无人机进行如无人机城管执法、无人机环保巡检等日常业务作业时，可以同时快速采集作业区域的正射影像数据，快速的实现作业区域实景三维的快速动态更新，实现了一次外业完成两项任务，避免了重复作业，极大的节省了人力、物力。该方法具有成本低、效率高、灵活方便、易学易用的优点，适合于分散、点多、面积较小的区域，具有较大的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所使用的附图进行简单地介绍。

图1是本发明的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法的基本流程图。

图2是本发明的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法的数据采集流程图。

图3是本发明的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法的建模更新流程图。

图4是利用本发明的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法的进行实物更新的示例图。

图5是对图4所示的三维建筑进行动态更新的之后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法的具体操作步骤如下：

（1） 测区勘查：通过现场勘测了解目标区域的地形、地势，超过100米高度以上周边高层建筑物、信号发射塔、电力输送塔等，对高度超过100米以上的目标在航线规划系统中通过GIS页面进行位置标注。

（2） 航线规划：根据前期现场勘查结果，并结合最新的区域影像图，对目标作业区域进行正射航线规划设计；首先结合环境监测任务范围在航线规划系统中规划“弓字型”正射航线，以确定无人机采集数据的区域大小，根据区域大小、机载相机类型、飞行时间等设定飞行参数，系统会根据用户定义的飞行参数哦，自动计算需要生成的航点数量，预计里程，预计时间，预计照片数量等；根据前期测区勘查获取标注的地物信息，调整航线以规避高度超过100米的地物，完成航线的规划。

在本实施例中的机载相机类型采用Zenmuse H20 WIDE。

在本实施例中的飞行参数设置如下：飞行高度120m、飞行速度10m/s、影像的旁向重叠率70%、横向重叠率80%、边距10m。

（3） 巡飞作业：本实例采用多旋翼无人机作为飞行平台，外业现场作业人员通过移动应用客户端4G/5G网络连接系统平台，刷新加载已规划的正射航线任务列表，在航测区域自动执行已规划的“弓字折线型”正射航线飞行；按航线规划设定的相机、路线自动远程控制自动按要求完成巡飞作业，巡飞作业过程只需要执行一次正射航线即可；影像的地面分辨率应优于7公分，个别地形高度落差大的区域应优于10公分。

飞行前对本架次使用的设备、材料进行认真检查；航摄现场负责人要严格掌握天气标准，确保航摄影像质量；飞行前严格检查各项参数，确保设备安装和各项设置正确无误；飞机及人员抵达测区后，立即安排设备和材料的试飞、试照，为正式作业做好准备工作；作业期间，对飞机、倾斜相机等主要设备和电源系统、记录系统进行定期检查，使其保持良好工作状态；注意机体上各部位的检查和飞控系统的测试，确保飞行安全。

（4） 影像质检：对巡飞作业采集的影像进行质量检查，对于不符合规定质量要求的影像进行补飞作业；

（5） 数据导入：将质检合格后的数据导入到三维建模处理系统；设置采样率，在空三的过程中对照片进行重采样空三，建模时仍旧使用原始分辨率影像。相机参数：为每个照片组设置相机参数，根据所采用的相机类型手动或导入相机检校参数即可。

（6） 空三运算：通过三维建模处理系统自动识别每张相片的相对位置和方向进行空三加密计算；设置空三名称、参与空三照片（默认使用全部照片）、定位/地理参考（不通过设置控制点，默认选择使用照片坐标）、空三参数设置（保持默认参数），然后提交空三运算，Context Capture Center利用正视影像构建区域网，通过照片多视角影像同名点自动匹配；经过反复滤波、平差，解算得到符合精度要求的精确外方位元素，进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果，运算过程通过Context Capture Center显示完成进度。

（7） 三维模型重建：通过Context Capture Center三维建模处理系统生成精准的三维模型以及每个格网面片的影像纹理；空三运算合格后，开始构建三维模型，通过进行测区分块设置（通过Spatital framework选项卡，进行分块设置）、点云计算、TIN构建和对TIN进行滤波简化等处理，利用处理后的TIN创建白模三维模型，然后再进行自助纹理映射，生成真三维模型。

具体三维模型重建操作如下：重建时根据计算机性能调整重建范围及瓦片大小，分块进行计算重建。纹理映射时需进行色彩均衡，纹理大小设置为影像长边的1.5倍。三维影像数据纹理精度应接近下视影像地面分辨率。整个作业区域模型应完整，不能有空洞和不合理悬浮的面片，建筑物模型应自然，细节保留完整。通过Context Capture Center集群式处理系统选择产品类型，3D mesh（三维网格），空间参考系统，通常选择WGS 84/UTM投影，然后选中建模的分块，通过Context Capture Center三维建模处理系统软件自动生产符合精度要求的三维模型，系统会自动从多个角度影像中筛选出最合适的影像纹理贴图，从而获取最真实的实景三维模型效果。

（8） 成果输出：通过Context Capture Center三维建模处理系统生成多种GIS格式的精确地理参考三维模型，生成的三维网格数据格式选择，包括3MX、S3C、OSGB、OBJ、FBX和KML等等，此实例选择OSGB通用格式。局域网内搭建集群式处理系统，其中一台作为主节点，其他计算机作为子节点组成集群。主节点本地存储，采用万兆光纤，子节点采用千兆局域网，以提高数据分发效率；任务处理时，主节点分配任务到各子节点，子节点完成分配任务后提交会主节点，然后继续接收新任务，直到所有任务完成；集群计算模式下，使用多台计算机同时进行建模工作，可大幅提升运算效率和容错率，适用于快速大规模建模项目。

（9） 三维动态更新：将输出得到最新的修改数据上传到服务器，平台接收到更新的修改数据后，实现动态的自动化的更新分发、发布，客户端即可加载显示最新的三维场景。数据的更新首先将更新服务器中数据库相应原始数据，然后在客户端中读取数据库中新的数据和相应区域的地物模型生成实景三维模型。基于统一的三维数据标准和系统接口标准，结合空间数据库技术、自动化建模技术、虚拟三维技术，可实现变化区域的的快速三维更新，在三维场景中展示出空间位置和状态变化。

本实施例通过前期对环境监测任务目标区域进行现场勘查，通过航线规划系统进行“弓字折线型”正射航线，第一次执行时外业人员需要时刻关注无人机飞行高度、速度与地形、地面建筑物之间的安全距离，保证飞行安全和正射采集影像质量，之后的日常采集更新通过系统自动设定复飞、复测即可自动化完成固定航线的监测、采集任务过程中减少人员干预，节省工作量，提高自动化、智能化程度，更新过程如图4图5所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、通过无人机正射提取目标区域现场影像和相关测量数据；

S2、将正射采集得到的数据导入三维建模处理系统后运算得到目标区域空间实景三维模型；

S3、通过每次环境监测巡飞时获取目标区域正射及三维重建得到当前时刻的实景三维数据后，自动进行该区域三维模型的动态更新；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

S1.1测区勘查：通过现场勘测了解目标区域的地形、地势；

S1.2航线规划：根据前期现场勘查结果，对目标作业区域进行正射航线规划设计；

S1.3巡飞作业：远程控制无人机执行规划设计的正射航线，自动按既定要求完成巡飞作业；

S1.4影像质检：对巡飞作业采集的影像进行质量检查，对于不符合规定质量要求的影像区域进行补飞作业；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1数据导入：将质检合格后的数据导入到三维建模处理系统；

S2.2空三运算：通过三维建模处理系统自动识别进行空三加密；

S2.3三维模型重建：通过三维建模处理系统进行三维模型重建；

S2.4成果输出：通过三维建模处理系统输出成果；

所述步骤S3具体包括以下步骤：将输出成果动态更新到服务器进行分发;

具体包括以下详细步骤：

(1)测区勘查：通过现场勘测了解目标区域的地形、地势，高度100米以上周边高层建筑物、信号发射塔、电力输送塔，对高度100米以上的目标在航线规划系统中通过GIS页面进行位置标注；

(2)航线规划：根据前期现场勘查结果，并结合最新的区域影像图，对目标作业区域进行正射航线规划设计；首先结合环境监测任务范围在航线规划系统中规划正射航线，以确定无人机采集数据的区域大小，根据区域大小、机载相机类型、飞行时间，设定飞行参数，系统根据用户定义的飞行参数，自动计算需要生成的航点数量，预计里程，预计时间，预计照片数量，根据前期测区勘查获取标注的地物信息，调整航线以规避高度超过100米的地物，完成航线的规划；

（3）巡飞作业：采用多旋翼无人机作为飞行平台，外业现场作业人员通过移动应用客户端4G/5G网络连接系统平台，刷新加载已规划的正射航线任务列表，在航测区域自动执行已规划的正射航线飞行；按航线规划设定的相机、路线自动远程控制自动按要求完成巡飞作业，巡飞作业过程只需要执行一次正射航线即可；影像的地面分辨率优于7公分，个别地形高度落差大的区域优于10公分；

飞行前对本架次使用的设备、材料进行认真检查；航摄现场负责人要严格掌握天气标准，确保航摄影像质量；飞行前严格检查各项参数，确保设备安装和各项设置正确无误；飞机及人员抵达测区后，立即安排设备和材料的试飞、试照，为正式作业做好准备工作；作业期间，对飞机、相机和电源系统、记录系统进行定期检查，使其保持良好工作状态；注意机体上各部位的检查和飞控系统的测试，确保飞行安全；

（4）影像质检：对巡飞作业采集的影像进行质量检查，对于不符合规定质量要求的影像进行补飞作业；

（5）数据导入：将质检合格后的数据导入到三维建模处理系统；设置采样率，在空三的过程中对照片进行重采样空三，建模时仍旧使用原始分辨率影像；为每个照片组设置相机参数，根据所采用的相机类型手动或导入相机检校参数；

（6）空三运算：通过三维建模处理系统自动识别每张相片的相对位置和方向进行空三加密计算；设置空三名称、参与空三照片、定位/地理参考、空三参数设置，然后提交空三运算，Context Capture Center利用正视影像构建区域网，通过照片多视角影像同名点自动匹配；经过反复滤波、平差，解算得到符合精度要求的精确外方位元素，进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果，运算过程通过Context Capture Center显示完成进度；

（7）三维模型重建：通过Context Capture Center三维建模处理系统生成精准的三维模型以及每个格网面片的影像纹理；空三运算合格后，开始构建三维模型，通过进行测区分块设置、点云计算、TIN构建和对TIN进行滤波简化处理，利用处理后的TIN创建白模三维模型，然后再进行自助纹理映射，生成真三维模型；

（8）成果输出：通过ContextCapture Center三维建模处理系统生成多种GIS格式的精确地理参考三维模型，生成的三维网格数据格式选择；局域网内搭建集群式处理系统，其中一台作为主节点，其他计算机作为子节点组成集群；任务处理时，主节点分配任务到各子节点，子节点完成分配任务后提交会主节点，然后继续接收新任务，直到所有任务完成；

（9）三维动态更新：将输出得到最新的修改数据上传到服务器，平台接收到更新的修改数据后，实现动态的自动化的更新分发、发布，客户端即可加载显示最新的三维场景。

2.根据权利要求1所述的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的正射航线采用“弓字折线型”正射航线，飞行参数设置为飞行高度120m、飞行速度10m/s、影像的旁向重叠率70%、横向重叠率80%、边距10m。

3.根据权利要求1所述的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，其特征在于：所述步骤（7）中的三维模型重建的具体操作如下：重建时根据计算机性能调整重建范围及瓦片大小，分块进行计算重建；纹理映射时需进行色彩均衡，纹理大小设置为影像长边的1.5倍；三维影像数据纹理精度应接近下视影像地面分辨率；整个作业区域模型应完整，不能有空洞和不合理悬浮的面片，建筑物模型应自然，细节保留完整；通过ContextCapture Center集群式处理系统选择产品类型，三维网格，空间参考系统，通常选择WGS84/UTM投影，然后选中建模的分块，通过Context Capture Center三维建模处理系统软件自动生产符合精度要求的三维模型，系统会自动从多个角度影像中筛选出最合适的影像纹理贴图，从而获取最真实的实景三维模型效果。

4.根据权利要求1所述的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，其特征在于：所述步骤（8）中的三维网格数据格式包括3MX、S3C、OSGB、OBJ、FBX和KML；主节点的本地存储，采用万兆光纤，子节点采用千兆局域网。

5.根据权利要求1所述的基于环境监测无人机对实景三维建模动态更新的方法，其特征在于：所述步骤（9）中的数据的更新操作如下：首先更新服务器中数据库相应原始数据，然后在客户端中读取数据库中新的数据和相应区域的地物模型生成实景三维模型；基于统一的三维数据标准和系统接口标准，结合空间数据库技术、自动化建模技术、虚拟三维技术，可实现变化区域的快速三维更新，在三维场景中展示出空间位置和状态变化。

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