基于ContextCapture的无人机倾斜影像建模方法研究

2019-10-08曹潇雷董燕

软件 2019年3期

曹潇雷董燕

摘要：随着无人机技术、倾斜摄影测量技术和三维建模技术的快速发展，无人机倾斜摄影测量技术已经广泛的应用于测绘领域。无人机倾斜摄影测量技术实现三维建模已经成为一种趋势。本文通过研究ContextCapture软件实现快速建模的建模过程，对建模过程中存在的问题进行总结并提出合理化的建议，实现三维模型的高效快速，对推动全自动化快速建模的发展具有重要的意义。

关键词： ContextCapture;无人机;倾斜摄影;建模方法

【Abstract】： With the rapid development of drone technology， tilt photogrammetry technology and 3D modeling technology， UAV tilt photogrammetry technology has been widely used in surveying and mapping. It has become a trend to realize three-dimensional modeling of UAV tilt photogrammetry. This paper studies the modeling process of rapid modeling by studying ContextCapture software， summarize the problems in the modeling process and propose rationalization suggestions， efficient and Fast implementation of 3D Model， it is of great significance to promote the development of fully automated rapid modeling.

【Key words】： ContextCapture; UAV; Tilt photography; Modeling method

0 引言

无人机倾斜摄影测量技术是近几年发展应用起来的一项新的测量技术。目前，无人机倾斜摄影测量技术在各个领域已经得到广泛的应用，如建筑设计、地图制图、施工和建造、资源与能源，文物遗产保护等[1]。传统的三维建模方法主要是将收集到的二维平面数据和高程数据，与数字摄影技术、计算机图形学等相关技术相结合进行三维建模，该方法只适用于建模区域较小、地表植被单一和建筑物结构简单的区域，需要投入更多的内外业人员采集数据并进行大量的内业处理，工作量大且周期较长，在建模的质量、速度和效率方面都难以满足应用领域的需求。

然而，无人机倾斜摄影测量技术具有灵活、经济且便于携带的特点，并且能从一个垂直和四个倾斜角度进行空间信息的采集，可以快速的获取地物的高分辨率纹理信息，有效的提高了获取地物纹理信息的效率。近年来，无人机倾斜摄影测量技术主要应用于城市三维建模中，比较常用的三维建模方法有：基于CAD的建模技术、基于激光扫描建模技术[2]、基于摄影测量的三维建模技术（数字航空摄影测量系统和数字近景摄影测量技术）、移动测量技术、照片建模技术、三维组件式自动建模技术等。国内很多学者对三维建模方法进行了研究，臧宇哲等人基于多源数据的三维建模方法研究，将三维激

光扫描数据和倾斜摄影测量数据相融合，构建建筑模型[3]。许一凡等人也提出将两类技术综合运用实现测区三维数据完整采集，通过统一控制点坐标系和迭代最临近点配准算法将两类点云融合，构建高质量、高效率、高分辨率的三维模型[4]。二者的区别在于前者是以某大学建筑物为例，后者是以地形地貌较为复杂和特殊的地区为例。谭仁春等人总结了一套无人机倾斜影像城市三维建模的改进方法，将倾斜摄影和MAX等技术有效结合进行城市三维建模，以3DGIS技术所要达到的精确数据和逼真效果为出发点，充分利用现阶段城市测绘资源，研究各种模型要素的特点，制定技术流程，开发基于3DMAX等建模软件来实现高精度和真实的城市三维快速建模技术方法[5-6]。因此，需要对不同的三维建模方法进行研究，解决建模过程中存在的问题，改进建模方法，提高建模的质量和效率。三维模型应用十分广泛，数据的储存方式和表示方法对模型的应用都有着重要的意义[7]。

1 无人机倾斜摄影测量

1.1 无人机技术

无人机简单的来说就是无人驾驶飞机，它是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置进行操作，或者由车载计算机完全地间歇地自主操作。从技术角度来讲，包含多旋翼、固定翼、垂直起降飞机等多种机种。

无人机具有机动、灵活、经济、快速的特点，能实现高分辨率影像的采集，在弥补卫星影像经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时，解决了传统卫星遥感重访周期长，应急不及时等问题。无人机在国土资源、自然资源和应急救灾数据获取方面展现出其独特的效率和优势。在当今数字城市和智慧城市以及测绘领域，研究无人机对三维模型建模及建模效果有着重要的意义[8]。

1.2 傾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术[9]。它改变了传统的只能从垂直角度拍摄的局限，搭载多台传感器在同一飞行平台上，从一个垂直、四个倾斜角度进行影像的采集，获取丰富的地物高分辨率纹理信息，通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型。结合GNSS技术，将三维城市纳入城市地理信息框架，展现出全面丰富的地理信息，提升用户体验度的同时大大降低三维城市建模的成本[10]。该技术广泛的应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。目前，基于无人机倾斜影像进行快速三维建模的软件有法国Acute3D公司的Bentley ContextCapture软件、俄罗斯的Photoscan、法国Astrium公司的街景工厂、瑞士Pix4D公司Pix4Dmapper软件等。我国目前虽然没有比较全面的建模软件，但是也进行了积极的研究，如武汉天际航信息科技有限公司开发的DP-Modeler可实现基于倾斜影像的高精度手工建模[11]。常用的修复软件有： 3DMax、Geomagic、Meshmixer和PhotoMesh等。在建模时使用建模软件会出现很多的问题，会出现空三失败、运算较慢等问题。本文通过分析ContextCapture软件，研究其三维建模的过程，总结建模过程中所存在的问题，并提出合理化的建议，推动三维模型的快速构建。

2 ContextCapture建模

ContextCapture三维建模是利用空中三角测量算法，通过空三加密计算出大量的连接点，利用这些连接点构建不规则三角网TIN，生成三维模型的基本框架，将三维模型白膜和表面的纹理信息进行自动映射，从而获取具有真实、自然纹理的高分辨率实景三维模型[12]。ContextCapture是一套实景三维自动建模系统，将数字影像处理技术、计算机虚拟现实技术和计算机几何图形算法相结合，对各种地物进行精确的重建，通过加入传感器参数、空间坐标以及控制点等数据来提高建模精度。

ContextCapture系统的模块主要包含：Master（主控台）、Setting（设置）、Engine（引擎）、Viewer（浏览）等。Master主要是进行创建任务和管理任务，查看任务的进程等，Setting主要是指明任务的路径，Engine是对队列中的任务进行处理，Viewer是对生成后的三维模型进行浏览，可以对生成后的模型质量进行观察，然后通过导入其它辅助修改软件进行修改。参照一定的技术规范，获取整个测区的倾斜影像数据，主要的实施流程有：对测区进行勘探获得其基本地理信息、采集三维影像数据、三维数据处理三个步骤[13]。

2.1 数据的准备

对测区进行实地勘探收集测区的基本地理情况，了解周围环境的状况，根据实际情况选择合适的无人机，进行航线设计和像控点布设，像控点的布设遵循一系列的布设原则[14]。选择合适的天气，实施飞行方案，对测区进行拍摄，获取测区的高分辨率影像数据，整理建模所必须的数据，主要有原始影像数据、相机文件数据和POS数据等。

2.2 数据的处理

目前，采用ContextCapture软件进行三维重建居多。在数据处理方面，数据处理的主要方式是将数据资料进行分析和预处理，去除那些不够完整的数据，以确保建模数据和资料完整性和格式正确。在进行三维建模之前，需要对采集的影像航片进行简单的手工处理，手动剔除不合格的相片，如出现拍摄拖影，曝光严重，构图严重不合理的影像，还有无人机起飞和降落的相片进行删除，适当的删除相似度较高或重复的相片，利用相机文件数据、POS数据以及像控点数据提高空三计算效率及精度。

2.3 ContextCapture软件建模

ContextCapture软件建模的整个过程：（1）利用ContextCapture Center Master新建工程;（2）在新建好的工程中导入正射影像和其它四个倾斜角度所采集的影像数据，并相应的填写传感器的参数大小、焦距参数以及相机校检，查看POS数据信息;（3）建立空三关系模型，选择空三的区域内的定位和定向，将倾斜影像进行空三加密，获得影像的高精度外方位元素;（4）通过多视影像密集匹配将高精度的外方位元素和矫正后的倾斜影像相结合，获取高密度的点云数据，构建3DTIN模型;（5）选取相对应的纹理信息，实现纹理的自动关联;（6）导出相应格式的真三维模型场景。ContextCapture三维建模技术路线如图1所示。

3 建模方法分析

通过ContextCapture软件输出的初始化三维模型通常存在畸变，有些畸变是由于在工程实施过程中不可避免的客观因素造成的，初始生产的实景三维模型难以满足某些应用的需求[15]。在实际工程实施过程中，受到无人机设备、大气环境及软件算法的影响，生产的模型会引起视觉差异和应用障碍，如航摄盲区以及特征点匹配错误的影像，模型的边缘细节表现不够准确，个别地物纹理缺失，建模地形与实际地形不一致等。导致这样的原因主要是：（1）无人机在飞行过程中受天气的影响造成几何畸变;（2）大气环境噪声引起的模型飞面、凸包; （3）阳光照射引起的模型纹理不均匀、破洞; （4）像主点落水而引起的水面缺失;（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型边缘平滑。模型成果的精度过渡依赖于摄影质量，对设备的要求较高，模型成果的数据量较大，影响了模型的修正和实际应用。

通过分析三维模型构建过程和模型成果所存在的问题，在构建三维模型过程中需要改进的方面有：（1）选择先进和合适的无人机摄影设备，制定严密航飞技术方案，对拍摄不到的地区进行补测或者人工测量，获取高质量的影像;（2）对获取的数据进行整理和分类，剔除不合理的数据;（3）对模型进行修复：修补破洞，抹平凸包，删除碎部;替换重要地物和标志物的三维模型;替换和修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理等。结合传统建模的优点，对三维成果模型中需要修改的地物和区域进行二次处理。具体修复过程如图2所示。

4 探讨研究

ContextCapture生成的ERISi3s格式的倾斜摄影模型成果可对接到ArcGIS中使用，并通过Porttal for ArcGIS网页或者APP形式进行开放共享[16]。利用無人机倾斜摄影测量技术结合ContextCapture软件，能够较好的控制成本，相比传统的建模技术，人工成本减少，劳动力强度降低。减少了外业的工作量，缩短了周期，明显的提高了建模效率。能够客观反映真实性，还原实际场景，更好的表达现势性要素，提供了长度、高程、面积及坡度等相关的现状信息。

在建模过程中，不管是对数据的采集还是处理，都需要选择合适的软件和方法。需要结合不同数据的特点进行实施方案的制定，三维激光扫描点云数据与倾斜摄影测量数据融合可有效弥补了无人机拍摄不到区域，对复杂地面信息进行无死角数据采集，提高了作业效率，减少了人工修补的工作量。所以，在进行三维重建时，要充分结合多种方法来改进建模的效率和质量，使其应用在更多的生产生活中。

5 结语

无人机倾斜摄影测量技术快速获取倾斜影像和 ContextCapture自动化空三加密及建模方面，使其在建模质量和效率有明显的提升。但是在自动化生成三维模型的过程中出现的模型局部和细节问题还难以解决，很难满足实际生产生活中应用的需要，需要进一步研究提升无人机倾斜摄影测量三维模型的质量和效率。在模型的修复过程中主要靠人工修补，需花费时间从而造成模型的自动化程度不高。在确保模型质量的情况下，如何使得建模过程完全自动化有待进一步的研究。

参考文献

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[5]谭仁春，姚岚.城市三维快速建模方法探讨[J].测绘科学， 2015， 40（ 5）： 136-138.

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[10]吴征宇，冯成武. 基于无人机倾斜摄影的城市三维建模方法研究[J]. 科技资讯， 2017， 15（26）： 55-56.

[11]周晓波，王军，周伟. 基于无人机倾斜摄影快速建模方法研究[J]. 现代测绘， 2017， 40（01）： 40-42.