無人機航拍技術及其在三維建模中的運用分析

唐艷華

摘 要：伴隨我國城鄉及工農業各個領域建設用地規模的越來越大，對于土地的規劃管理范圍也在逐漸增大。為了快速便捷高精度地獲取地理數據信息資料，就需要采用無人機航拍技術，基于它所拍攝的圖像進行專業化數據處理，最終實現三維建模。本文簡要論述了無人機航拍技術在室外場景環境中的三維建模技術流程與拍攝圖像處理方法。

關鍵詞：無人機航拍技術 三維建模 室外場景 技術處理

中圖分類號：P23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0153-02

當前許多土地規劃工作中的三維建模都是以無人機航拍圖像數據作為主要依據的，它通過多種數據處理手段配合計算機技術來完成對現實生活場景的抽象模擬化構建，形成數學三維模型，而無人機航拍技術則為模型提供最為真實、詳盡的信息資料。

1 利用無人機航拍圖像構建室外場景三維建模的技術優勢

利用無人機航拍技術所獲得的圖像數據來構建室外場景三維建模模型，它能夠滿足人們對于大規模土地規劃或局部細節規劃的現實要求，而且使用無人機機身相對較輕、對場地要求不高，也規避了真人真機航拍所帶來的巨大成本支出與技術人員的高空作業危險因素。從整體來看，無人機航拍圖像更強調對室外場景三維重建新型技術體系的一體化構建，例如配合航拍技術、航空遙感技術、影響傳輸技術、數據處理技術以及幾何視圖分析技術來實現圖像數據有效處理過程，滿足最終土地規劃要求，體現當前無人機航拍圖像構建與室外場景三維建模技術的優勢性[1]。

2 無人機航拍技術背景下室外場景三維建模的基礎技術實施流程

無人機航拍技術背景下對室外場景的三維建模基礎技術實施流程主要有四步，以下進行一一介紹研究。

2.1 獲取圖像資料

首先，室外場景三維建模的首要目的就是為了獲取相對詳盡的圖像資料，這些圖像資料通常表示三維物體的二維圖像數據，利用這些數據結合航拍獲得的圖像數據就能夠建立三維模型。在無人機航拍過程中，為了保持它的高穩定性，還需要技術人員進行遠程遙控操作，這里就運用到了遙感技術，它也是為了保證所獲取圖像信息高質量，尤其是在后期進行圖像特征提取過程中，要結合遙感技術數據來立體匹配三維數學模型，保證建模內容有意義。

2.2 加入遙感設備參數

要在無人機航拍圖像數據內容中加入遙感設備參數，保證三維數學建模的真實性與完整性。在具體的技術運作過程中，要研究航拍攝像機參數與圖像數據相互匹配，保證遙感設備參數與精確的坐標圖數據相互結合，提高三維模型精度。

2.3 強化特征提取

要強化特征提取，確保無人機航拍圖像室外場景三維建模精確有效性，通過分析圖像共同圖像特征，提取特征點內容來看航拍圖像與室外場景拍攝對象是否匹配，由此來確定提取算法。提取算法的精確性主要由圖像上提取點的不同特征來決定，不同的特征點集合決定了三維建模的質量水平。

2.4 建立提取特征與航拍圖像對應關系

最后要建立提取特征與航拍圖像之間的對應關系，達成精確匹配目標。在匹配過程中也要注重對外界因素干擾的排除，例如拍攝角度問題、天氣狀況問題等不利因素?？陀^講，室外場景三維模型構建需要結合攝像機參數標定值，再結合立體匹配效果來構建三維坐標，保證三維建模過程中每一個技術環節都能相互關聯，減小技術誤差，進一步提高建模精確度。

在上文所提到的特征提取算法中，就包括了針對性選取算法，像比較常用的關鍵幀提取算法、內容分類關鍵幀提取算法。這些算法的實施還要結合航拍圖數據，對所獲取圖像進行粗篩選和精細篩選，以降低建模過程誤差，提高立體匹配質量[2]。

3 無人機航拍技術背景下室外場景三維建模的航拍圖像處理方法

在了解了三維建?；A技術實施流程之后，就要分析它的無人機航圖像數據處理方法，主要將拍攝圖像特征下的幾何視圖作為具體依據，實現對三維建模航拍圖像數據的有效處理。

3.1 基于無人機航拍序列的圖像拼接

圖像拼接是以無人機航拍序列為基礎技術理論的，它遵照序列對所獲取數據進行完整拼接，通常情況下無人機拍攝都會提供同一事物的不同視角拍攝圖像，而圖像拼接技術則要根據序列來實現完整的高清圖像拼接過程。在實際的拼接過程中就涉及到圖像配準技術，它所涉及到的配準數據處理量相對較大，而圖像匹配本身對于計算機的計算能力要求也相對較高，這主要是因為在航拍序列圖像拼接過程中其所涉及的子流程相對較多較復雜，例如對圖像的預處理、立體配準、數學變換模型構建、坐標統一轉換、圖像無縫融合5個主要步驟。首先說對航拍圖像的預處理，它首先要對圖片進行去躁，然后是特征提取，構建匹配模板，實施圖像轉換。在圖像匹配過程中還要再次進行圖像特征提取，然后才能建立三維數學模型。在模型構建過程中需要嚴格參考航拍攝像機標定值，根據標定值參數來計算三維模型的參數值，并在計算機中構建最終的數學變換模型，將拼接好的圖像融入進去，形成一套完整的、擁有參考圖像坐標系的三維數學模型，獲得高度整合化后的高清圖像。

3.2 基于無人機航拍圖像的立體匹配算法分析

一般來說，基于無人機航拍圖像的立體匹配算法包括兩種：基于頻域的立體匹配算法與基于時域的立體匹配算法。其中時域算法應用較為廣泛，像衛星遙感航拍圖像配準過程中就會采用該技術。該算法在序列圖像拼接計算精度方面表現優秀，能通過互功率譜來實現對圖像平移矢量的有效計算，而且整個算法匹配過程更加簡單高效。當然，該算法對于圖像重疊比例有一定高要求，如果所計算圖像比例偏小，則會增加匹配誤差，降低匹配計算結果的精度。所以也可以在立體匹配計算過程中也可以考慮基于頻域的算法，它的特征提取與匹配計算直觀性較強，能夠實現高精度匹配，但它的數據處理過程相對復雜，總體來看二者各有優缺，在運用時需要斟酌選擇。

3.3 基于運動恢復結構的三維模型重建算法分析

在室外場景無人機航拍過程中，一定會涉及到對于分析對象物體的結構信息獲取，這一分析過程被稱為三維模型重建算法中的運動恢復結構算法。這種創新算法相對步驟復雜，其中涵蓋了圖像特征提取、攝像機運動動態估計、攝像機標定、估計結果優化、推導場景幾何特征分析等。為了簡化整個計算過程，運動恢復結構算法就在重建模型過程中采用了SFM（Structure from motion）算法，這種算法從航拍獲取的二維圖像或圖像序列中收集并恢復三維信息，為構建室外場景三維模型做前期準備。從整體來看，SFM算法能夠基于不同角度來觀察所構建模型空間中的各個點位，為此它也融入了平行透視模型與普通透視模型，所以通過它來構建三維模型能夠將平差工作中的誤差降到最低水平，從另一個角度來提升模型精確度。同時，這種算法中也采用了光束法平差來降低建模過程誤差，它以單張像片作為單元，以單個控制點作為外業與內業坐標標準，實現外業與內業坐標的加密，通過列舉誤差方程來處理平差，最終構建虛擬現實背景下的三維模型[3]。

4 結語

本文從科學角度分析了無人機航拍技術及其三維建模技術實施流程和圖像處理方法，證明了該技術在操作性、精確度、適用性、靈活性、成本等多方面的優越之處。在未來，它還應該為更多社會領域所應用，為國家綜合發展提供高水平服務內容。

參考文獻

[1] 陸澤萍.基于無人機航拍圖像的樹冠三維重建[D].天津大學，2013.

[2] 李高潮.無人機航攝在城市三維建模中的應用探究[J].科技創新與應用，2017（14）：295.

[3] 黎富忠.無人機航拍技術在三維建模上的應用[J].廣西水利水電，2016（4）：21-23.