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面向复杂体型建筑物的无人机倾斜摄影航线规划研究.pdf
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1、D0I:10.13878/ki.jnuist.20220817001魏琪1刘佳嘉面向复杂体型建筑物的无人机倾斜摄影航线规划研究摘要为解决复杂体型建筑物存在拍摄盲区较多、影像采集分辨率差异较大而导致建模效果差的问题,本文提出一种无人机立体环绕式摄影与精细化建模方法.选用单镜头小型多旋翼无人机,根据复杂建筑物外观形态,设计出立体环绕式的影像采集航线,再将获取影像导入ContextCapture软件进行分析和处理并完成模型建立,最后针对三维模型存在纹理缺失及模糊拉花等问题,使用DP-Modeler和3dsMax对模型进行联动修饰.以某公园内两相邻建筑物为研究对象,分别采用本文方法与传统无人机倾斜摄影
2、方法,从建模效率、模型精度和纹理细节3方面进行对比实验.结果表明,本文方法具有建模效率高、精度高和纹理丰富的优点,提升了复杂体型建筑物建模的质量和效率,联动修饰解决了影像采集过程中信息缺失的问题,可以显著提升模型细节质量.关键词无人机;立体环绕式;复杂体型建筑物;航线规划;三维建模中图分类号TP79;V279文献标志码A收稿日期2 0 2 2-0 8-17资助项目中央高校基本科研业务费专项资金(J2023-024)作者简介刘佳嘉,女,硕士,副教授,研究方向为航空电子、图像处理1中国民用航空飞行学院航空电子电气学院,广汉,6 18 30 70引言近年来,从数字地球到智慧地球的发展,引发了智慧城市
3、建设的热潮11.建筑物的实景三维建模是智慧城市建设的重要部分,建立具有真实纹理的城市三维模型拥有巨大价值.目前常用的实景三维建模方法依赖于传统的3dsMax、C A D 等建模软件,完全依赖于人工绘制模型与纹理贴图2 ,过程较为繁琐,与真实的地物信息存在较大差异.在智慧城市技术不断发展的今天,对建筑物建模需要保持良好真实性3,对于大范围、大区域的城市和复杂体型的建筑物三维模型的构建,需要考虑到精细化程度、效率和性价比等因素,而传统的建模软件难以满足.随着无人机倾斜摄影测量技术的发展,以多角度采集高分辨率、大范围的倾斜影像数据成为建立精细化实景三维模型首选方法.在线实景三维建模对信息传输和硬件性
4、能要求较高,成本过大,实用性低,因此并没有被广泛研究和使用.对建筑物进行拍摄后离线建模往往是一个更好的选择4-7 .该方法搭载单镜头或多镜头摄像机,从多个角度获取地物信息,后期离线快速生成三维模型.随着离线建模技术的发展,缺点和不足也逐渐显现,如:对于地物遮挡区域、复杂体型建筑物,其纹理细节较为复杂,影像数据难以获取,存在影像数据获取盲区,建模难度较大;多镜头航摄仪价格昂贵,对于个人或小单位作业而言,成本太高,只能通过单镜头模拟多镜头的方式进行数据获取,但无人机飞行时长往往受到电池容量限制,从而导致信息采集不完整,影响建模效果.因此,目前针对复杂体型建筑仍然缺乏合理的无人机实景建模方法.无人机
5、倾斜摄影技术具有快速高效、自动化程度高及低成本等优势.如果仅是对建筑群粗略建模通常是不需要进行模型修饰的,如不动产面积计算、土方量计算、楼房外观基本信息统计等,但本文针对单体建筑物建模的目标是模型越精细越好,而优化航线规划尽管可以提升建模效率和精度,但始终无法避免影像采集中存在建筑物侧面模糊拉花,以及大面积水域、玻璃等信息缺失的问题.为进一步提高模型细节质量,通常需要使用修模软件对建筑物模型进行修饰,对模型进行精细化处理,如:文献8 使用DP-Modeler对三维模型存在道路不平整处、大面积水域镂空以及古建筑细节处模糊等问题进行修饰;文献9 使用DP-Modeler对青海省某居民楼建筑与地面的
6、三维0南京信息工统大学学报(自然科学版),2 0 2 3,15(4):496-5 0 4Journal of Nanjing University of Information Science&Technology(Natural Science Edition),2023,15(4):496-504模型存在融合不好等问题进行修饰;文献10 使用3dsMax对河南省郑州市高新区某一建筑群落存在三维模型侧面出现扭曲等问题进行修饰.通过对信息缺失区域进行模型修饰处理,不仅可以省去大量时间和精力进行补拍,还可提高模型整体细节质量以达到更优的模型效果.本文提出一种立体环绕航线方式的倾斜摄影方法,选用大
7、疆精灵phantom4ProV2.0无人机设备,该设备具有方便灵活、成本低、可控性好等特点.选择一个真实场景下某公园内两个相邻的复杂体型建筑物进行拍摄后脱机离线场景建模实验,并从建模效率、建模精度、纹理部分等与传统航线方式的倾斜摄影方法进行对比.最后通过DP-Modeler和3dsMax联动对实景三维模型中纹理缺失和模糊拉花的部分进行模型修饰1,以达到模型精细化的效果.1复杂体型建筑物的三维建模方法本文采用基于无人机立体环绕航线方式的实景三维建模过程包括航线规划、影像获取、数据处理等过程,流程如图1所示.1.1航高及航摄仪倾角对地面分辨率的影响无人机以任意角度、高度获取影像的示意如图2所示.0
8、 为对焦点,H为航高,f为焦距,为相机视场角的一半,0 为相机倾角,为影像分辨率最小点,6为影像分辨率最大点.需求分析,实地调研像控点布设确定建筑物长宽高根据建筑物高度进行划分同一高度的区域计算环绕半径、航高相机拍摄范围是否覆盖建筑物顶部497AH图2 无人机获取影像示意Fig.2Schematic of image acquisition by UAV航高计算公式如下:fxRcH=a式中:H为相对摄影基准面的航高,单位为m;f为镜头焦距,单位为mm;Rc为地面分辨率,单位为m;a为像元尺寸,单位为mm.根据三角函数关系推算出影像最大最小分辨率,计算公式如下:HaRG.a=Rc.mxfcos(
9、0-)HaRc.b=Rc.min fcos(0+):对于低空无人机摄影,影像的传感器参数一定,焦距(f)与像元尺寸()固定不变,所得影像地面分辨率与无人机航高存在一定关系,航高越低,地面分输出影像POS数据空中三角测量满足要求否是三维建模密集匹配三维网构建是(1)(2)(3)像控点坐标纹理映射模型输出计算下一条航线的航高、环绕半径图1本文建模方法流程Fig.1Flow chart of the proposed modeling approach刘佳嘉,等.面向复杂体型建筑物的无人机倾斜摄影航线规划研究.498LIU Jiajia,et al.Route planning of UAV til
10、t photography for complex buildings.辨率越高12 ,成像质量也越好,重建的模型精度相物的中上部,拍摄时的焦点聚焦于中上部,使得采集对较高.因此,在对复杂体型建筑物的三维建模中,到的复杂体型建筑物地物上下部分影像的地面分辨需要针对不同高度建筑物设置不同的航高,保证采率较为均匀.如图4所示,第1层环绕圆以矮栋建筑集到的影像具有较为统一的地面分辨率,为后期建物和相机角度为基准,第2 层环绕圆高度以建筑物模提供基础保障.高度差和相机角度为基准,为保证分辨率相同,第3航摄仪倾角的设置不同,将直接影响到获取影层与第2 层高度相同,以此类推,对复杂体型建筑进像的分辨率、覆
11、盖范围等,获取影像分辨率的差异将行分层立体式环绕.此拍摄方案具有多高度、多角度影响到后期影像特征点提取数量、多视影像密集匹等特点,大大减少了传统航线方式存在的盲区范围,配精度以及三维模型纹理的清晰度.航摄仪倾角增因此采集的影像更加全面,为后期的模型效果提供大,影像分辨率和影像覆盖范围也逐渐增大,视野内保障.物体较多,使得影像中被拍摄物体的分辨率差别较大,因此航摄仪的角度不宜过大.1.2传统航线的倾斜摄影测量技术传统的无人机倾斜摄影从5 个角度获取影像,即通过1个垂直视角、4个倾斜视角(45)对建筑物进行数据采集,获取建筑物顶部及侧面的纹理信息13.无人机以固定的高度在建筑物上方采用航带网式航线
12、规划14 进行拍摄.由于无人机在拍摄时高度固定、相机角度固定,因此易存在拍摄盲区,降低建筑物信息采集的完整性,尤其是对复杂体型建筑物,影响三维建模的质量15 ,如图3所示.因此本文提出一种立体环绕航线规划方式对建筑物进行三维建模,通过调节无人机的云台,实现对建筑物多角度、多高度的影像采集,以获得更加全面清晰的影像,提高三维建模的精度.1.3复杂体型建筑物的立体环绕航线规划针对复杂体型建筑物的特点,传统航线方式因高度固定、角度固定存在较多拍摄盲区的问题,本文提出一种适应性更好的立体环绕航线方式,采用根据地物各部分的高度设计不同航高的思想:对高度相对统一的区域设置相同航高,相同航高的相邻区域的环绕
13、圆相互重叠;对复杂体型建筑较高的部分则设置更高的航高,让相机的主光轴始终对准建筑:图4立体式环绕航线规划Fig.43D surround UAV photography route planning立体环绕航线方式是以一种环绕拍摄的方法代替传统的航带网式航线采集地物影像的方案,可以根据建筑物的特征,设置不同的航高、环绕飞行半径、航摄仪角度等参数控制获取影像的地面分辨率、覆盖范围等.相对于传统航线的无人机倾斜摄影从5个角度获取影像,该方法可以有效消除图3所示的拍摄盲区.通过实地勘探,全方位了解建筑物的长、宽、高,中第n层环绕圆:第3层环绕圆第2 层环绕圆第1层环绕圆a.屋檐处遮挡图3传统航线方式
14、存在的盲区Fig.3Blind zones in traditional UAV photography routeb.建筑遮挡南京信息工经大学学报(自然科学版),2 0 2 3,15(4):496-5 0 4Journal of Nanjing University of Information Science&Technology(Natural Science Edition),2023,15(4):496-504以此作为基础,大致勾勒出建筑物的形状,计算建筑物相对高度大致相同区域的环绕半径R,和航高H,计算公式如下:V/+w,+(2h,)nR,=RH,=tan RH.z2+H1tan
15、0式中,ln、w n h,分别为同一高度区域建筑物的长、宽、高,0 为相机倾角.对于建筑物相对高度不同区域,航高与环绕半径需分开进行计算,当H,l,时停止计算.1.4数据处理采集的建筑物影像需要处理生成建筑物的实景三维模型,ContextCapture软件自动化程度高、无需人工干预,能够高精度高效率地完成建模工作.影像间的相对位置通过空中三角计算确定,POS数据求解精确外方位元素与地面坐标,根据密集匹配算法进行点云密集匹配,由匹配到的密集点云生成三维三角网表面模型,并将网格表面进行自动纹理映射,进而得到具有真实视觉效果的可视化实景三维模型.1.5模型精细化处理在影像获取时,由于照片在空中拍摄,
16、不可避免会出现一些区域存在信息缺失的情况;由于空三加密在大面积水域、光滑路面、玻璃面等区域有较多的粗差点等16 ,使得实景三维模型存在纹理缺失17 、模糊拉花及瓦片缺失等问题.这些问题若通过不断增加航拍重叠率解决4,不仅花费大量时间,而且会导致数据穴余,模型效果也不会得到很大的改善.因此,需要使用修模软件对模型进行修饰.本文采用DP-modeler与3dsMax软件联动进行模型修复,对模型进行精细化处理.利用3dsMax的曲面造型能力,结合DP-modeler的自动纹理贴图能力,对建筑物不规则区域进行修饰,进而提高三维建模的精度.联动模型修复流程如图5 所示.2复杂体型建筑物的三维建模实验2.
17、1实验设备及对象实景三维建模的实验对象是某公园内两栋紧邻且高矮落差较大的复杂体型建筑物,如图6 所示.通过测量,获取两栋建筑物的长宽高分别为4.8 m、4.8m、2 1.0 8 m 和 16.0 2 m、16.46 m、11.48 m.其中:较499未修饰三维模型影像数据合并图像模型与倾斜模型新建模型对象OSGB模型(4)2(5)(6)确定对象基准面勾绘多边形:DP-Modeler联动3dsMax提取边线创建线性图形线性图形图53dsMax和DPModeler联动建模技术路线Fig.5 Technical roadmap for modeling combinedwith 3ds Max an
18、d DP-Modeler高的一栋呈现细长的立柱状,其四面均为玻璃;较矮的一栋为立方体状,其两面为玻璃,另外两面为红色砖和混凝土搭建的墙面.两建筑物之间相邻很近,中间仅有一条宽约为3.46 m的缝隙.将两栋房子近似看作一个长方体整体,其长为2 4.2 8 m,宽为16.46m,高为 2 1.0 8 m.图6 建模实验对象实景Fig.6Real view of the modeled buildings无人机选用大疆Phantom4PROV2.0,搭载2000万像素的相机,像元大小为2.345 2 7 m,焦距为8.5 348 mm,云台可调节的角度为-90 30.航线规划选用DJIGSPro软件
19、,根据地物特征进行航线定制,拥有航拍环绕模式、智能航点模式,可满足多种场景的需求.导出模型检查模型同步纹理映射赋予半径值设置可编辑状态刘佳嘉,等.面向复杂体型建筑物的无人机倾斜摄影航线规划研究.500LIU Jiajia,et al.Route planning of UAV tilt photography for complex buildings.2.2实验数据获取1)传统航线的倾斜摄影方式采用DJIGSPro软件进行5 架次的航摄方案.由于所拍摄的照片需要完全覆盖建筑物的信息,将航高设置为2 5 m,无人机的航向重叠率和旁向重叠率均设置为8 5%,飞行速度5 m/s,无人机从5 个角度
20、进行拍摄,航摄时间39min,拍摄航片数量5 6 2 张,如图7 所示.表1立体环绕式航线参数Table 1Parameters of 3D surround photography route环绕层相机倾角/()第1层45第2 层45第3层45航高/m11.853 417.220 022.5866半径/m16.763 37.589 57.5895+184FT+165FT+167FT+186FT图7 5 架次航摄方案Fig.7 Photography scheme with 5 UAV sorties2)立体环绕航线的倾斜摄影方式根据所需建模建筑物的实际情况,设置合适的航线参数,如表1所示.无
21、人机的航向重叠率和旁向重叠率均设置为8 5%,拍摄照片数量313张,飞行时间2 7 min,飞行速度5 m/s,如图8 所示.同时在研究区内设置8 个控制点并测量其坐标.图8 第1层立体环绕式航摄方案Fig.8 3D surround photography scheme on the first layer2.3实实验结果数据分别由无人机基于传统航线与立体环绕航线的倾斜摄影方式获取,再经数据处理,获得完整的建筑物三维模型,图9a、9b、9c 分别为基于传统航线方式采集的影像被处理后生成相应的三维TIN白模模型、三维TIN网构建、三维建模效果,图10 a、10 b、10c分别为基于立体环绕航线
22、方式采集的影像被处理后生成相应的三维 TIN白模模型、三维 TIN网构建、三维建模效果.a.TIN白模模型Fig.9Renderings of 3D model by traditional UAV photography routeb.TIN网构建图9传统航线方式三维模型效果c.建模效果a.TIN白模模型Fig.10 Renderings of 3D model by the proposed UAV photography routeb.TIN网构建图10 立体环绕航线方式三维模型效果c.建模效果南京信息工统大学学报(自然科学版),2 0 2 3,15(4):496-5 0 4Journa
23、l of Nanjing University of Information Science&Technology(Natural Science Edition),2023,15(4):496-504对比图9 和图10 可知,立体环绕航线方式三维模型效果图的纹理细节比传统航线方式更加丰富.3建模效率与质量分析3.1三维建模效率建模效率从图像数量和数据处理时间两个方面进行分析,数据处理的计算机环境为CPU(A M DRyzen 53600X)、G PU(2 0 8 0 Su p e r)、内存(16 GB).无人机三维建模效率分析主要分为外业影像数据采集耗时和内业三维建模耗时,如表2 所示.表
24、2 两种航线方式建模效率Table 2Modeling efficiency comparison图像平均影像地面外业采集影内业三维建航线规划数量分辨率/mm像耗时/min立体环绕313传统航线5623.2#模型精度分析本文对比控制点的实测值与模型量测值进行精度分析.将外业实测的8 个控制点量测值与内业在三维模型上的点位误差进行对比,表达式如下:ux=/Z(x。-x,)/n,Ju,=/Z(y。-y.)/n,u.=/Z(z。-2.)/n,uu=/+uj+u,式中:u,vu.分别为控制点在y方向上的点位坐标误差;u。为整体点位误差;(x。,y。,z。)为外业测量坐标,(x,yi,z;)为内业采集坐
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