基于多源數(shù)據(jù)融合的高精細(xì)實(shí)景三維建模技術(shù)

張小宏，馬立華，陳豐田，韋樹剛，王 娜

(1. 青海省地質(zhì)測(cè)繪地理信息院，青海 西寧 810012；2.青海省高原測(cè)繪地理信息新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810012)

利用無人機(jī)搭載多鏡頭傳感器進(jìn)行傾斜攝影并快速生成實(shí)景三維模型是近幾年航空攝影測(cè)量行業(yè)的技術(shù)延伸，也是相關(guān)三維建模技術(shù)領(lǐng)域中的一項(xiàng)革命性突破。但是由于無人機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)源與三維建模軟件解算方面的相輔關(guān)系，對(duì)被測(cè)物相對(duì)較小、較復(fù)雜而且面積較大的微地貌而言，常規(guī)的數(shù)據(jù)獲取方式及建模方法最終生成的模型效果不太理想。

青海省的油氣輸送管道分布地域廣、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且涵蓋多種地貌特征。在管道輸送途中，分布著多種類型的場(chǎng)站、閥室等重要關(guān)鍵點(diǎn)，并且場(chǎng)站內(nèi)除了廠房以外，附著在地面上的大小管道、閥門錯(cuò)綜復(fù)雜。針對(duì)這類情況，利用無人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，并且高效地建立達(dá)到cm級(jí)的三維實(shí)景模型，在技術(shù)方法上還有待于進(jìn)一步探索。

本文依托青海省高原測(cè)繪地理信息新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)分布在青海省內(nèi)的200余處油氣管線關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行高精細(xì)模型的建立，作為管線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，探索出一種創(chuàng)新的數(shù)據(jù)源采集方法和多源數(shù)據(jù)融合的建模技術(shù)，并將這種“高精細(xì)、高效率、低成本”的三維模型建立方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際地理信息領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其克服傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)只能從單一角度拍攝的局限性，通過對(duì)地物進(jìn)行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。

相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，還能直接基于影像進(jìn)行各種量測(cè)，如高度、長度、面積及實(shí)際坐標(biāo)等。因此，傾斜影像極大的彌補(bǔ)了基于正射影像的應(yīng)用的不足，為用戶提供更豐富的地理信息，更友好體驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 左為正射影像，右為傾斜影像

2 作業(yè)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由4大部分組成：第一部分為飛行平臺(tái)，采用多旋翼無人機(jī)為傳感器搭載平臺(tái)；第二部分為傳感器設(shè)備，其中包括高分辨率五拼相機(jī)模塊、高分辨率單相機(jī)模塊； 第三部分為飛控平臺(tái)，包括航線設(shè)計(jì)、飛行控制平臺(tái)，地面監(jiān)控系統(tǒng)等；第四部分為操作人員，包括飛行器操控人員、飛控輔助人和地面指揮人員。

2.2 內(nèi)業(yè)處理

本次三維建模軟件采用Smart3D ContextCapture，它是一款全自動(dòng)三維建模軟件。它可以利用無人機(jī)或其它方式采集到的影像數(shù)據(jù)生成具有高分辨率的真實(shí)三維模型，生成的三維模型效果取決于采集到的數(shù)據(jù)源是否符合軟件要求。在生產(chǎn)過程中整個(gè)處理過程相對(duì)智能化，數(shù)據(jù)處理人員在具體工作時(shí)只需將所采集到的數(shù)碼照片按照一定的要求將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到程序中，另外加入幾項(xiàng)必要數(shù)據(jù)，如焦距、傳感器尺寸、控制點(diǎn)等就能完成實(shí)景建模工程建立。

2.3 工藝流程

數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)處理是本文中的兩大關(guān)鍵步驟，其中的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)是本文探索的重點(diǎn)。工藝流程及項(xiàng)目實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 工藝流程

3 數(shù)據(jù)分析與技術(shù)改進(jìn)

3.1 傳統(tǒng)采集方式及三維建模效果

隨著傾斜攝影技術(shù)的逐漸成熟，其在礦山、村莊、建筑物群等大面積測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于宏觀地貌的處理，在精度要求不高的條件下傾斜攝影技術(shù)能達(dá)到不錯(cuò)的效果，但對(duì)于微地貌、細(xì)小的地物，尤其是大面積錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)小物體得不到很好的表現(xiàn)，例如大面積覆蓋在地面上直徑在10～20 cm左右的管道、閥門等；如果單個(gè)對(duì)其進(jìn)行影像獲取再進(jìn)行逐個(gè)建模、數(shù)據(jù)合并，在精度的統(tǒng)一及工作效率上都得不到保證。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是采用自主航線飛行，這種方式是飛行器通過地面站控制，搭載多鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行航線飛行，是全自主的智能航線飛行。它首先在地面站軟件中根據(jù)被攝對(duì)像的范圍及精度要求設(shè)置飛行航線，飛行平臺(tái)根據(jù)航線參數(shù)自動(dòng)計(jì)算出航高、重疊、分辨率等參數(shù)指標(biāo)。飛行器在空中作業(yè)飛行時(shí)在同一曝光點(diǎn)上獲取不同角度的多張照片，并且每個(gè)曝光點(diǎn)上的前后關(guān)系符合傾斜攝影航向及旁向重疊度的要求。

特點(diǎn)：飛行器較大，載荷能力強(qiáng)，搭載的傳感器在每個(gè)曝光點(diǎn)同時(shí)可以完成5張照片的拍攝，作業(yè)飛行時(shí)單架次飛行面積相對(duì)較大、航線自動(dòng)生成、飛行中時(shí)刻由GPS精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、飛行效率高、影像重疊度良好，而且抗風(fēng)性強(qiáng)，采集效率高。

缺點(diǎn)：由于自主航線飛行，航高和拍攝角度無法靈活掌握、無法滿足超低空飛行，分辨率無法有效提高；雖然同時(shí)有5張不同角度的影像，但覆蓋面還是不夠靈活，對(duì)地面上微小附著物及遮擋的地物無法獲取影像。最終采集到的影像經(jīng)過后期解算，生成的模型在細(xì)節(jié)方面扭曲變形，達(dá)不到理想效果，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)采集方法建模效果

3.2 多源數(shù)據(jù)融合精細(xì)化三維建模

多源數(shù)據(jù)融合是采用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集合并處理的方法。此次為了達(dá)到“高精細(xì)、高效率、低成本”的特點(diǎn)，針對(duì)200多處大型場(chǎng)站的精細(xì)化建模是本文的重點(diǎn)。所涉及到的場(chǎng)站面積較大，建筑物及管道錯(cuò)綜復(fù)雜，要達(dá)到既能提高效率又能使微地貌得到精細(xì)化建模，就要利用多種方式融合的方式進(jìn)行采集。

采用“高空大面積航線法”、“低空手動(dòng)疊加法”、“局部針對(duì)性環(huán)繞法”采集等方法，并且根據(jù)被測(cè)對(duì)象的不同采用“環(huán)內(nèi)環(huán)”、“上下環(huán)”等不同采集模式，甚至有時(shí)要進(jìn)行必要的地面手動(dòng)拍攝。最后將這幾種不同的數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行匹配和融合，達(dá)到精細(xì)化三維實(shí)景模型預(yù)期的目標(biāo)。采集方式如圖4所示。

圖4 多源數(shù)據(jù)采集

此方法利用了小型多旋翼無人機(jī)搭載高清相機(jī)完成，其目的是最大地降低飛行高度，靈活捕捉被攝物體的各個(gè)面。飛行高度可降低在離地面10 m以下，必要時(shí)貼近被攝物體3 m左右進(jìn)行飛行采集。Smart3D ContextCapture實(shí)景三維處理軟件為了更好地進(jìn)行空三解算，需要符合軟件算法要求的影像數(shù)據(jù)，因此在照片數(shù)據(jù)的采集工作上無論采用什么方法均需保證影像的重疊度和連續(xù)性。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

采用以上不同的采集方法獲取的影像數(shù)據(jù)，如何在Smart3D ContextCapture中進(jìn)行融合處理也是本次探索的關(guān)鍵。本次油氣管線項(xiàng)目采集到的影像共有3種以上數(shù)據(jù)源，分別是多旋翼無人機(jī)搭載5拼相機(jī)進(jìn)行高空航線飛行的數(shù)據(jù)；小型四旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭像機(jī)超低空飛行數(shù)據(jù)；以及手動(dòng)超低空環(huán)繞飛行數(shù)據(jù)等等。

1)空三解算。在數(shù)據(jù)處理流程上，把以上幾種方式采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并導(dǎo)入到后處理軟件，保持文件夾的路徑為非中文路徑(中文路徑會(huì)在軟件運(yùn)行中出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤)。在工程準(zhǔn)備完成后提交空中三角測(cè)量,軟件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)源提取大量特征點(diǎn)，并采用多視角匹配同名點(diǎn)，進(jìn)行自由網(wǎng)平差，平差完成后可以反向解算出圖片的空間位置和姿態(tài)角度，從而確定圖片間的關(guān)系。

通常在ContextCapture中運(yùn)算大數(shù)據(jù)量時(shí)，由于航片重疊度、清晰度以及數(shù)據(jù)源等問題，空三加密有可能會(huì)失敗或部分失敗，主要表現(xiàn)在航帶分層、加密點(diǎn)漂移、相對(duì)位置不正確等。多個(gè)架次的多源數(shù)據(jù)融合在一起進(jìn)行三維建模時(shí)，由于不同架次、不同航高、不同角度、不同設(shè)備等多種不同數(shù)據(jù)源，空三加密有可能無法保證。這個(gè)時(shí)候就需分架次進(jìn)行解算，創(chuàng)建多個(gè)Block，分別進(jìn)行空三加密運(yùn)算。這時(shí)，如果數(shù)據(jù)有分層現(xiàn)象可以將影像組件構(gòu)造模式改為多步后再進(jìn)行一次空三處理。如果空三加密點(diǎn)相對(duì)位置不正確或者漂移，不是中心區(qū)域，可在生成模型的時(shí)候劃除在范圍外，若是中心區(qū)域可以刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的圖片，完成后再做一次空三處理。

分別空三加密完成后，最后將不同數(shù)據(jù)源的幾個(gè)Block的數(shù)據(jù)融合在一個(gè)Block中輸入分開解算好的航片位置與姿態(tài)信息，再進(jìn)行一次空三加密。這樣就能解決不同方式、多源數(shù)據(jù)融合難的問題。如圖5為空三解算工程。

圖5 空三解算工程

2)加入控制點(diǎn)。在多源數(shù)據(jù)融合空三加密之后，將控制點(diǎn)坐標(biāo)編輯成特定格式的TXT文本導(dǎo)入工程中，選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系(特定格式：第一列為點(diǎn)號(hào)，第二列為x坐標(biāo)，第三列為y坐標(biāo)，第四列為z坐標(biāo)，中間用一個(gè)空格隔開)，這樣可以很快找到控制點(diǎn)的大概位置再對(duì)照刺點(diǎn)片進(jìn)行微調(diào)，在加入全部控制點(diǎn)后再進(jìn)行一次空三加密過程，最終完成控制網(wǎng)平差。

3)模型建立貼圖。多源融合數(shù)據(jù)在Smart3D軟件中通過空中三角測(cè)量計(jì)算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成無紋理的白模，再通過三維模型的形狀位置從航片里面選取對(duì)應(yīng)的紋理進(jìn)行貼合，最后輸出紋理逼真的實(shí)景三維模型。如果輸出模型的時(shí)候單個(gè)瓦片數(shù)據(jù)量大于電腦內(nèi)存，則建議將模型切分為多個(gè)瓦片運(yùn)行，這樣可以提高電腦運(yùn)行效率，并且便于編輯瓦片、更新數(shù)據(jù)。用Smart3D軟件完成模型數(shù)據(jù)后，導(dǎo)出OBJ、OSGB和XML文件，再利用3DMAX、CoModeler等軟件進(jìn)行編輯，對(duì)一些效果不好的瓦片修改完善，修改完成后將OBJ和OSGB文件導(dǎo)入到Smart3D中重新融合輸出，便可以完成一個(gè)效果較好的實(shí)景三維的建設(shè)。如圖6為多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果，模型層次分明，微地貌精細(xì)度處理效果良好。

圖6 多源數(shù)據(jù)融合后的建模效果

4 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影及實(shí)景三維建模技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但由于該技術(shù)采用自動(dòng)化建模方式，對(duì)于細(xì)節(jié)方面的解算還存在著一些不足,也是軟件無法解決的問題，本質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。例如:建筑物稠密的地區(qū)、環(huán)境復(fù)雜的工廠、附著于地面的微地貌等，要想提高精細(xì)度，就需要在數(shù)據(jù)源獲取方式上采用特殊的方法，并且在后期數(shù)據(jù)處理上采用不同方法。因此，采用多種采集方法相結(jié)合的模式，必要時(shí)將三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為高精度擬合數(shù)據(jù)源，最終生產(chǎn)出高精細(xì)的實(shí)景三維模型。