低空攝影測量在三維虛擬場景中的應用研究

張曉珺

摘要：科技發展的日新月異為人類帶來了很多便利，也為各行各業攻克技術難題提供了無限可能。小區域空間測量一直是困擾測繪人員的一大難題，但低空攝影測量技術的出現成功的解決了這一難題。本文將低空攝影測量與三維虛擬場景構建密切結合起來，主要介紹低空攝影測量的相關概念、國內外現狀、關鍵技術以及低空攝影測量在三維虛擬場景構建中的應用，這些應用主要包括三維虛擬場景構建中所需要的基本數據的采集、場景和界面的優化方法等，為三維虛擬場景設計提供參考。

關鍵詞：三維圖像；虛擬場景；低空攝影測量

隨著攝影測量技術的改進和以無人機為代表的低成本攝影平臺的逐步改善，低空攝影測量成為可能。與傳統的攝影測量方法相比，低空攝影測量可以全方位、多角度地對測量對象進行攝影，呈現出拍攝對象的全貌。不僅如此，低空攝影測量還能大大提高拍攝質量和拍攝效率，降低工作人員的攝影測量工作強度，而傳統的攝影測繪則不具有這些優勢。由于低空攝影測量使用先進的飛行裝置，因此在攝影時可以不受空間的約束，自如進行攝影。人類的繪圖模式也在發生著翻天覆地的變化，由最初的二維制圖發展到立體的三維制圖，再到現如今的三維虛擬場景構建，場景越來越立體化地呈現在我們眼前，使觀者猶如身臨其境。在三維虛擬場景的構建中，低空攝影測量為整個場景構建提供了二維圖像及相對方位信息，是整個場景構建過程的基礎。三維虛擬場景被越來越多地提及，如數字校園、數字城市等的構建就是通過三維虛擬場景來實現的。

一、低空攝影測量簡介

1、低空攝影測量概念

顧名思義，低空攝影測量就是在規定的低空范圍內，通過將拍攝器械安裝到飛行裝置的合適位置，進行空間上的地形地貌數據或建筑數據測量，而飛行裝置上升的高度須控制在1000米以下。常用的飛行裝置有無人機、無人飛艇等，氣球也曾被用作低空攝影測量的搭載工具，但不易對氣球的運動進行控制，拍攝角度受限，因此實際使用的不多。隨著無人機的普及，很多小范圍的空間攝影測量都開始使用無人機作為攝影器械的搭載工具。這種飛行器成本較低，結構設計相當簡單，但比較穩定，十分適合作為低空攝影測量的搭載平臺。而且無人機采用遙感技術，可以隨時將攝影信息傳回控制臺，使控制人員及時了解低空攝影測量的具體情況，并通過遠程控制使無人機調整方向和角度，拍攝預期畫面。

2、低空攝影測量現狀

目前，國內外都比較重視這一測量方法的研究和應用，并且技術手段也在不斷提高。數據處理系統是低空攝影測量中的重要系統，國內外的技術都已經比較成熟，我國常見的有JX4系統和Virtuozo系統。在眾多科技人員的辛勤努力之下，我國的數字攝影測量系統取得了很大的進步，在走向自動化的道路上邁進了一大步，比較典型的代表有DPGfid系統，GEOWAYCIPS系統等。數據處理的精度和效率在不斷提高，較為明顯的是高程精度的變化，這主要是通過多基線的處理方法，將不同角度不同距離拍攝的影像數據進行分析匹配，采用圖像融合技術結合無人機的遙感數據傳輸功能對實時獲得的影像資料進行三維建模，并通過模型校驗不斷改進，將現實場景通過三維建模方式以立體的形式呈現出來。低空攝影測量的應用范圍極為廣泛，不僅可以用于建筑上的測量，還可以幫助進行災難救援，無人機可以拍攝受災情況，使救援人員及時了解災情，以便制定合理的救援計劃。

3、低空攝影測量的主要技術

低空攝影測量的技術較為較為先進，首先討論遙感平臺技術。這種技術的性價比直接關系到拍攝的質量和效率，因此該技術的不斷發展是低空攝影測量得以廣泛推行的基礎。在改善性能降低成本的同時，要考慮到飛行高度、精度及航行時間等因素，不能以犧牲這些關鍵指標來盲目降低成本，導致拍攝效果不盡如人意。其次，是遙感傳感器技術，這種技術對相機的要求較高，需要相機不僅要質量輕，而且要具備儲存大量圖像的容量，還要具有較高的攝影參數。而目前，市面上大多數相機都達不到這一標準。低空攝影測量的目的不同，需要使用的相機類型可能也會有差異。如有些低空攝影測量需要使用紅外相機，而另一些需要使用多光譜相機，因此應根據不同的需求來開展相機研發工作。

二、三維虛擬場景構建

1、基本數據采集和處理

三維虛擬場景的構建需要低空攝影測量為其提供基本的數據，因此紋理數據的準確與否直接關系到三維虛擬場景的構建是否與現實相符。采集紋理數據需要用專業的軟件進行紋理映射處理，可以結合實際情況，將單幅正攝影像分成幾部分，化整為零，方便系統加載，數據加載完成后進行拼接。建筑物不同位置的紋理數據采集方法不太相同。頂部紋理直接在正射影像上獲取，側面則不能這樣得到，應該通過對實地低空攝影測量圖像進行處理得到。根據建筑物的風格樣式、共同點和不同點，建立公共紋理庫，可提高工作效率。

2、場景及界面優化

三維場景的設計和界面優化也包括很多細節方面的問題。就光源問題來說，整個場景的光線應該比較集中，充分反映出各個結構之間的聯系和區別。針對這一點，聚光燈光源的效果較好，通過利用光的物理特性，改善場景的亮度效果。在構建三維室外虛擬場景時，不僅要構建建筑物，還要添加一些花草樹木起點綴作用，讓整個場景看起來不至于死氣沉沉，了無生機。還可以在場景中添加音樂，進行氣氛渲染。Clipping Planes邊界內部的物體會被渲染，這樣就大大降低了系統的工作效率，解決方案是在參數設置中設置60°角。

結束語：低空攝影測量的實現為完整的三維虛擬場景構建提供了重要的數據，前者是后者的基礎。利用前者的數據構建的三維虛擬場景重現了真實建筑的模樣，使人們能夠全面具體地了解建筑的整體狀況和詳細參數，為建筑設計和建筑規劃提供了一種便捷方法。endprint