摘要：城市三維建模是“智慧城市”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為解決傳統(tǒng)城市建模方法存在的數(shù)據(jù)采集難度大、成本高、建模效率低等問(wèn)題,提出了一種基于消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的城市三維建模方法。首先,利用云臺(tái)控制無(wú)人機(jī)鏡頭方向來(lái)獲取研究區(qū)的正射及傾斜影像;然后,利用空中三角測(cè)量生成的三維點(diǎn)云構(gòu)建三維模型,并將從多視影像中提取的建筑物墻面紋理映射到相應(yīng)的模型;最終,以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)校園為例建立城市真三維模型。結(jié)果表明,該方法在滿足模型精度要求的同時(shí),大大提高了建模效率,降低了模型生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞：消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī);傾斜攝影測(cè)量;三維建模
0引言
城市三維模型的構(gòu)建一直是國(guó)際遙感、地理信息系統(tǒng)及相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)。近年來(lái),隨著“智慧城市”的迅速發(fā)展與日益普及,建立有真實(shí)紋理的三維城市景觀顯得尤其重要。目前城市三維建模技術(shù)主要有以下3種:
?、倩谲浖慕＜夹g(shù),以大比例尺地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用三維制作軟件(如3DsMAX等)建模,該方法能逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征,但存在生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)[1];
?、诨趥鹘y(tǒng)攝影測(cè)量的三維建模技術(shù),采用航空攝影測(cè)量技術(shù)采集最新數(shù)字線劃圖(digitallinegraphic,DLG)二維或三維矢量數(shù)據(jù),再利用軟件進(jìn)行建模,該方法具有自動(dòng)化程度高、建模速度快、易于實(shí)時(shí)更新等優(yōu)點(diǎn),但是建筑物側(cè)面紋理信息需要靠其他手段來(lái)獲取構(gòu)建[2];
?、刍诩す鈷呙璧慕＜夹g(shù),利用激光點(diǎn)云可以快速建立物體的三維模型,但其紋理信息依舊需要靠其他手段獲取,并由人工進(jìn)行紋理貼合[3]。
一定程度上,上述方法都存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、效率低等缺點(diǎn),制約了城市三維建模的發(fā)展和推廣。
數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)因在處理大范圍場(chǎng)景能力以及三維重建精度方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是目前獲取三維城市模型數(shù)據(jù)最有吸引力的方法之一。然而,傳統(tǒng)攝影測(cè)量獲取航空影像時(shí),基本近似豎直攝影,造成航空影像上的屋頂信息豐富而墻面往往不可見(jiàn)。同時(shí),建筑物稠密區(qū)域存在遮擋現(xiàn)象,也使航空影像不能有效提供建筑物側(cè)面紋理信息。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),其通過(guò)多角度組合相機(jī),打破了以往只能垂直拍攝的局限,使航空攝影系統(tǒng)不但能獲取豎直影像,還能獲取傾斜影像,較好解決了傳統(tǒng)航空攝影獲取城市建筑物時(shí)遇到的遮擋問(wèn)題[4]。
利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市三維建模,不僅可以節(jié)省模型細(xì)部分析時(shí)間,簡(jiǎn)化模型紋理采集和處理方法,還可以提高工作效率,降低成本。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)外起步較早,產(chǎn)品相對(duì)成熟,如天寶公司的AOS系統(tǒng)、德國(guó)IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)和以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)劉先林院士團(tuán)隊(duì)于2010年率先研發(fā)成功了第一款國(guó)產(chǎn)傾斜相機(jī)SWDC-5,并成功完成實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),是國(guó)內(nèi)傾斜相機(jī)的一大突破。后續(xù)上海航遙公司和中測(cè)新圖公司也相繼推出了AMC580和TOPDC-5傾斜相機(jī),使國(guó)產(chǎn)傾斜航空攝影測(cè)量系統(tǒng)得到了快速發(fā)展[5]。上述傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)為快速、大面積城市真三維模型的獲取提供了新方法,但由于傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)本身體積和重量較大,必須需要小型飛機(jī)或動(dòng)力三角翼飛行器,甚至是運(yùn)5運(yùn)輸機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,加之其價(jià)格昂貴,使得數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本極高,很大程度上限制了該技術(shù)的廣泛運(yùn)用[6]。
近年來(lái),無(wú)人機(jī)成本和可操作性有了革命性的突破,使其從傳統(tǒng)的軍事、航測(cè)等專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入到大眾消費(fèi)市場(chǎng)。消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)具有獲取影像成本低、速度快和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn),在遙感地質(zhì)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。其雖然只搭載一個(gè)相機(jī),但可以通過(guò)控制云臺(tái)改變相機(jī)的拍攝角度來(lái)獲取傾斜影像,從而實(shí)現(xiàn)專業(yè)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的影像采集功能。同時(shí),基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(structurefrommotion,SfM)的圖像處理技術(shù)不僅可以將正射影像與傾斜影像進(jìn)行聯(lián)合平差,生成點(diǎn)云,并自動(dòng)構(gòu)建三維模型、紋理映射,最終生成逼真的三維場(chǎng)景,而且對(duì)相機(jī)拍攝位置、圖像尺度及拍攝焦距沒(méi)有要求[8],較大提高了數(shù)字城市三維模型的生產(chǎn)效率。無(wú)人機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域,在城市三維建模領(lǐng)域展示了巨大的發(fā)展?jié)摿?。但利用消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模的研究少有報(bào)道。本文擬探討利用消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行城市三維建模的一般步驟與方法,以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)為例,進(jìn)行研究區(qū)傾斜影像采集及三維模型構(gòu)建,并對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,旨在為城市三維建模研究提供一種方便、快捷的新方法。
1無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)
目前無(wú)人機(jī)種類繁多,有無(wú)人直升機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)等多種機(jī)型。不同無(wú)人機(jī)具有不同的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行速度可控,飛行高度可調(diào)且可以低空飛行,同時(shí)該無(wú)人機(jī)不受起降場(chǎng)地限制,更適合用于城市三維建模的數(shù)據(jù)獲取。本研究選用深圳大疆科技精靈系列四旋翼無(wú)人機(jī)DJIPhantom4(圖1)。
圖1Phantom4無(wú)人機(jī)及地面控制系統(tǒng)
該無(wú)人機(jī)由飛行器、遙控器、云臺(tái)相機(jī)以及配套使用的移動(dòng)設(shè)備組成。飛行器重為1380g,配備全新的影像穩(wěn)定系統(tǒng),控制精度高達(dá)±0.03°。飛控系統(tǒng)集成于飛行器機(jī)身內(nèi)部,具備雙冗余慣性測(cè)量單元(inertialmeasurementunits,IMU)和指南針系統(tǒng)。一體式云臺(tái)位于機(jī)身下部,其上搭載嵌入式相機(jī)。遙控器配備靈敏的控制桿和專用按鈕,工作頻率為2.400~2.483GHz。內(nèi)置DJILightbridge高清圖傳系統(tǒng),圖像傳輸和可遙控距離達(dá)5km。Phantom4能同時(shí)接受GPS及GLONASS定位衛(wèi)星信號(hào),可獲取5m精度的影像位置信息。其搭載的相機(jī)焦距為20mm(35mm格式等效),內(nèi)置1200萬(wàn)像素1/2.3inCMOS圖像傳感器。相機(jī)鏡頭針對(duì)航拍進(jìn)行了專門(mén)優(yōu)化,94°視角、f/2.8光圈的超低畸變的鏡頭,成像清晰銳利。云臺(tái)相機(jī)的可控轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為(-90°,+30°),可以通過(guò)控制云臺(tái)來(lái)采集不同角度的傾斜影像。Phantom4攜帶了高能量密度智能飛行電池和高效率的動(dòng)力系統(tǒng),最大平飛速度為20m/s,單個(gè)電池最大續(xù)航時(shí)間約為28min。
2三維模型構(gòu)建技術(shù)流程
利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集、空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型(digitalsurfacemodel,DSM)數(shù)據(jù)生成、紋理貼合及實(shí)景三維建模等步驟[6,9]。其中,最關(guān)鍵的步驟是空中三角測(cè)量獲取相機(jī)外方位元素、多視影像密集匹配獲取加密點(diǎn)云以及紋理貼合。三維模型構(gòu)建技術(shù)路線如圖2所示。
圖2三維模型構(gòu)建技術(shù)路線
無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)不僅包含垂直影像,還包含多角度、大傾角傾斜側(cè)視影像,且不同于航空影像,存在重疊度高、像幅小、基線短、旋片角大且畸變嚴(yán)重等問(wèn)題,所以傳統(tǒng)攝影測(cè)量算法已經(jīng)不適用傾斜影像?；赟fM的新型數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量為獲取三維地形數(shù)據(jù)提供了有效的方法。傾斜攝影測(cè)量處理軟件主要有法國(guó)ASTRIUM公司的“StreetFactory”、法國(guó)Accute3D公司的ContextCapture和瑞士PIX4D公司的PIX4Dmapper系統(tǒng)等[5]。其中,ContextCapture軟件運(yùn)行時(shí)無(wú)需人工干預(yù),生成的模型精度高,同時(shí)在紋理貼合時(shí)運(yùn)用自動(dòng)顏色補(bǔ)償算法保證瓦片間的數(shù)據(jù)差異更小,因此本研究采用該軟件來(lái)處理無(wú)人機(jī)影像,構(gòu)建城市三維模型。
3實(shí)例分析
3.1數(shù)據(jù)采集
3.1.1地面控制點(diǎn)
在影像獲取之前需要在研究區(qū)采集控制點(diǎn),用于后續(xù)的空中三角測(cè)量及模型精度驗(yàn)證。在研究區(qū)內(nèi)選擇道路交叉點(diǎn)、建筑物拐點(diǎn)和體育場(chǎng)標(biāo)記線交點(diǎn)等作為地面控制點(diǎn),然后利用GNSSRTK(1+1)測(cè)量其坐標(biāo),測(cè)量精度達(dá)到cm級(jí),可以滿足實(shí)驗(yàn)的精度要求。本次實(shí)驗(yàn)共采集15個(gè)控制點(diǎn),其中10個(gè)用于校正空中三角測(cè)量結(jié)果,5個(gè)用于精度驗(yàn)證。
3.1.2航線設(shè)計(jì)與無(wú)人機(jī)影像采集
實(shí)驗(yàn)采用Altizure軟件進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)。該軟件是一款優(yōu)秀的飛控及航線規(guī)劃軟件,支持DJI等多款型號(hào)的無(wú)人機(jī)。飛行前需要在軟件提供的地圖上規(guī)劃需要建模的航拍區(qū)域、設(shè)定飛行高度、影像重疊度以及相機(jī)傾斜角度等參數(shù),軟件會(huì)自動(dòng)生成1次正攝和4次傾斜攝影的飛行路線,預(yù)估飛行時(shí)長(zhǎng),并可實(shí)現(xiàn)智能續(xù)飛。圖3為采集中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)多視影像的5個(gè)架次航線設(shè)計(jì)。
圖3航線設(shè)計(jì)
在圖3中,中間航線用于獲取正攝影像,上下左右航線分別獲取傾角為40°的南、北、東和西4個(gè)方向的多視影像。實(shí)驗(yàn)飛行航高為60m,航向與旁向重疊度均為80%,5個(gè)航次耗時(shí)18min,共獲取研究區(qū)194張影像。獲得的正攝影像的地面空間分辨率為0.027m,影像成像質(zhì)量好,各類地物清晰可見(jiàn),多視影像不僅顯示建筑物頂面信息還包含豐富的側(cè)面紋理(圖4),這為后續(xù)三維模型建立及紋理提取奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖4多視影像
3.2全自動(dòng)快速三維模型構(gòu)建
3.2.1空中三角測(cè)量
空中三角測(cè)量是三維重建中最基礎(chǔ)的步驟。ContextCapture軟件利用特征點(diǎn)檢測(cè)算法,本文采用尺度不變特征變換(scale-invariantfeaturetransform,SIFT)方法從多視影像中提取大量特征點(diǎn),同時(shí)結(jié)合影像的GPS位置信息利用高效匹配算法進(jìn)行特征點(diǎn)的快速匹配。在此基礎(chǔ)上,利用迭代光束平差過(guò)程生成研究區(qū)的稀疏點(diǎn)云(圖5),并同時(shí)求解相機(jī)的內(nèi)、外方位元素,完成空中三角測(cè)量[10]。
圖5空中三角測(cè)量結(jié)果
3.2.2密集匹配與模型構(gòu)建
由于初始匹配得到的點(diǎn)云過(guò)于稀疏,無(wú)法構(gòu)建高精度的模型,所以需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行擴(kuò)展、濾波和優(yōu)化獲得加密點(diǎn)云。首先,利用密集匹配技術(shù)將稀疏點(diǎn)云擴(kuò)展到相鄰像素,得到密集點(diǎn)云;然后,通過(guò)濾波算法剔除存在于地物模型內(nèi)外部的誤差點(diǎn),優(yōu)化結(jié)果[11];最后,根據(jù)地物復(fù)雜度對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行刪減優(yōu)化,降低數(shù)據(jù)冗余,并構(gòu)建不同尺度下的三角網(wǎng),獲得優(yōu)化后的模型。研究區(qū)加密點(diǎn)云與DSM模型如圖6所示。
圖6加密點(diǎn)云與DSM模型
從圖6中可以看出,由于樹(shù)木和大門(mén)頂部修飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜,點(diǎn)云和三角網(wǎng)較為密集,而廣場(chǎng)和路面的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,點(diǎn)云和三角網(wǎng)較為稀疏。
3.2.3紋理貼合
紋理貼合是城市三維模型構(gòu)建中的重要部分。通常以3DsMax為建模工具的三維城市模型構(gòu)建,數(shù)據(jù)處理過(guò)程均由人工完成,不僅效率低下,而且地物的表面紋理常會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。本研究采用的全自動(dòng)紋理貼合方法很好地克服了這一缺點(diǎn)。首先,對(duì)三維模型和紋理影像配準(zhǔn),通過(guò)攝影測(cè)量的計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理,建立空間地物點(diǎn)到各影像的投影關(guān)系,從而確立模型中各三角形與多視影像的投影關(guān)系,篩選面積最大、效果最優(yōu)、無(wú)遮蔽的目標(biāo)影像;然后,將其反投影到模型的三角面上,實(shí)現(xiàn)三維模型的紋理貼合[4]。圖7為紋理貼合的三維模型成果,從圖7中可以看到建筑物、樹(shù)木和草坪等景觀的紋理表達(dá)都十分逼真。
圖7三維模型成果
3.3精度分析
3.3.1空中三角測(cè)量加密精度
通過(guò)計(jì)算5個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)與區(qū)域網(wǎng)平差得到的三維坐標(biāo)之間的誤差,來(lái)衡量區(qū)域內(nèi)空中三角測(cè)量加密結(jié)果的精度。驗(yàn)證點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。
表1驗(yàn)證點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)
從表1中可以看出,空中三角測(cè)量加密結(jié)果最大平面誤差為0.066m,中誤差為0.03m;最大高程誤差為0.012m,中誤差為0.011m。這些誤差均遠(yuǎn)小于《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的“1:500平地地形測(cè)量平面中誤差不超過(guò)0.175m,高程中誤差不超過(guò)0.15m”的要求[12]。由此可見(jiàn),本文方法構(gòu)建的模型幾何精度非常高。
3.3.2模型復(fù)雜度
利用定性方法來(lái)評(píng)估構(gòu)建的三維模型的復(fù)雜度。對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和縮放,將模型紋理、顏色、空間位置和模型完整度等與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,建筑物模型的基本輪廓、外部建構(gòu)表現(xiàn)良好,其中屋檐、陽(yáng)臺(tái)和裝飾物表現(xiàn)基本完整;帶狀綠化樹(shù)和綠化林地采用主體建模表現(xiàn),基本上能夠反映樹(shù)木的色調(diào)和基本特征;僅有少量的柵欄、路燈和座椅等地物要素未表現(xiàn)出來(lái)?；凇度S地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》,根據(jù)模型精細(xì)度和紋理精細(xì)度將三維地理信息產(chǎn)品分為I—IV級(jí)(I級(jí)為最優(yōu))[13],本文構(gòu)建的三維模型復(fù)雜度介于II級(jí)到III級(jí)之間,能夠滿足城市三維模型的需求。
4結(jié)論
針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量建模方法生產(chǎn)工藝復(fù)雜、效率低,以及專業(yè)傾斜攝影測(cè)量設(shè)備昂貴、機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn),嘗試?yán)孟M(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維城市建模,并以中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)北校區(qū)為研究區(qū),進(jìn)行了多視影像的采集和三維模型構(gòu)建實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論:
1)通過(guò)飛行控制軟件控制改變內(nèi)嵌在無(wú)人機(jī)云臺(tái)中相機(jī)的方向,消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)可完成專業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)的多視影像采集工作,從而大大降低了城市三維模型數(shù)據(jù)的獲取成本。
2)利用消費(fèi)者級(jí)無(wú)人機(jī)獲得的高空間分辨率多視影像,結(jié)合高精度地面控制點(diǎn),可以全自動(dòng)化生成高精度的城市三維模型,生產(chǎn)的模型整體性好、地物無(wú)縫銜接、場(chǎng)景真實(shí)、紋理逼真,是一種經(jīng)濟(jì)高效的城市三維模型生產(chǎn)方法。
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