运用无人机倾斜摄影对文化遗产进行三维建模 [复制链接]

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离线三维实景建模

实习生

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2021-03-19

倾斜航空摄测量技术是测绘领域近年来发展迅猛的一项高新技术，它通过多角度的拍摄得到同一地物不同角度的倾斜影像，从而获取传统航空摄影测量不能获取的建筑物侧面纹理，目前在数字城市、智慧城市等的建设中应用广泛。在文物保护修复领域中，实景三维模型是最能真实反映文化遗产现状的表示方式，是文化遗产保护的重要数据基础。但由于文化遗产具有结构复杂等特殊性，要求获取构建的三维模型成果的分辨率、清晰度和材质颜色指标更高，增加了倾斜摄影数据获取难度。中维空间结合吴哥古迹保护项目，探索了如何使用无人机倾斜摄影测量技术实现高精细文化遗产实景三维模型的快速重构，为文物的保护、修复和研究提供基础数据的支撑。

中维空间--智慧校园可视化管理

无人机倾斜航空摄影
倾斜航空摄测量是国际测绘领域近年来倡导使用的一项高新技术，可同时从一个正摄、四个倾斜等 5 个不同的角度采集影像数据( 如图 1 所示) ，不但可获取正面影像信息，还可同时获取地物的多侧面影像信息，凭借其工期短、成本低和效率高等优势，在数字城市建设、应急指挥、国土安全、城市管理中得到了广泛的应用。

相对于传统垂直下视航空摄影影像，倾斜航空拍摄的影像由于拍摄时的角度是倾斜的，所以影像具有变化的比例，倾斜拍摄影像对应的地面区域形状像一个梯形，在区域梯形前端拍摄的影像像素比梯形后端的像素高。如图 2 所示，T 为区域内目标点; T'为区域目标点在影像
上对应的点; O 为摄影中心; h 为飞行高度; c 为相机参数; t 为倾斜影像倾角; α 为倾斜影像倾角半角; β 为区域目标点 T 与摄影中心的连线与竖直方向的夹角; PP 为倾斜摄影相机主光轴与地面的交点; PP'为倾斜影像的像主点。

因倾斜摄影存在高地物遮挡低地物的缺陷，传统大飞机航空摄影倾斜航空摄影飞行相对高度多为 300 m 以上，影像地面分辨率为 5—20 cm，无法满足文化遗产高精度、精细化的要求。为获取优于 5 cm 地面分辨率的全方位无漏洞的文化遗产影像数据，需要降低飞行高度，增大航向和旁向重叠度，采用无人机进行低空飞行拍摄。

和传统航空摄影的大飞机相比，无人机具有方便、快捷、成本低廉的独特优势。一般来说，无人机航摄通过无线设备来控制和操作不载人的飞行器，可通过航高的调节实现高空间大范围影像获取和低空间小区域精确航拍，还能够针对文化遗产数据获取的需求，对具体建筑物进行 360°的立体环绕飞行，获取目标地物正射、倾斜航空影像，极大地增强了数据获取的科学性和时效性。

2 文物建筑三维建模（中维空间案例）
针对文化遗产大场景与重要建筑物的实景三维模型需要不同精细程度的模型的难题，文中对无人机倾斜摄影设计方案进行了优化( 如图 3 所示) ，采用带状倾斜航空摄影+环状倾斜航空摄影的技术方案，得到遗址区的航摄数据，最后融合两种影像数据生成遗产区的实景三维
模型数据。从而在保证大区域实景三维模型的效果基础上，确保了重要遗址建筑物实景三维模型的精细程度，下面将以王家花园王宫为例介绍基于无人机倾斜航空摄影的文化遗产三维建模工艺流程。

2．1 影像数据获取
王家花园王宫位于城市中心，地处盆地，周边环绕三堵土坝和若干阶地，是吴哥时期的遗迹，也是吴哥考古公园资源最为丰富的地区之一。
王家花园王宫文化遗产地测区面积 1．3 km2，周围空间较为开阔，遗产地上空植被覆盖较少，便于航空影像数据的获取。针对王家花园王宫周围环境影响因素以及遗产特点，项目成图比例尺设定为 1 ∶ 500，航摄地面分辨率0．04 m，数据获取技术方法见表 1。

1) 设备仪器
精灵 4 Phantom 无人机: 最大起飞重量 1 380 g，最大飞行速度 20 m/s，卫星定位 GPS /GLONASS 双模。大疆“悟”Inspire 1 Pro 无人机: 最大起飞重量3 400 g，最大飞行速度 22 m/s，机身变形设计，相机 360°无遮挡拍摄。
飞控系统: 中维空间无人机智能控制系统。

2) 带状倾斜航空摄影数据获取
利用无人机飞控系统控制数码相机镜头角度，按照垂直向下、前视 30°、后视 30°、左侧视 30°、右侧视 30°等 5个方向分别获取航空影像数据，形成遗址区带状倾斜摄影测量数据。主要工作有航线设计、航空摄影、航摄数据质量检查等，具体工作流程如图 4 所示。
王家花园王宫采用东西向飞行，地面分辨率为 4 cm，绝对航高为 158 m，航向重叠度和旁向重叠度均为 80%，共 12 条航线，航线长度 8 150 m，总照片数 1 620 张。

3) 环状倾斜航空摄影数据获取
无人机环状影像数据获取是利用无人机对遗产区内结构复杂的主体建筑进行环绕式拍摄，从目标周围均匀采集建筑影像。综合考虑遗址环境因素，设计合理的环绕路线，利用大疆无人飞行器平台，搭载数码相机，获取遗产地环拍影像数据。

无人机环绕拍摄最大的特点就是多角度摄影，而不是局限某单一角度，不仅能垂直拍摄获取建筑的顶部影像，还能低空多角度摄影获取建筑物多面高分辨率纹理影像，对于复杂的建筑结构基本能达到无遮挡的效果。王家花园王宫无人机环拍站点为 10 个，分布情况如图 5 所示。

2．2 影像数据处理
航摄数据主要采用商用 Smart3D 软件进行处理。其处理的倾斜航空摄影影像与立体环形航摄影像需要带有坐标信息，利用软件进行二者的混合空中三角测量加密，并对影像的外方位元素进行优化，然后采用密集匹配工具对两组数据进行处理，制作遗址区的高精度三维模型，同时进行模型的纹理映射，生成遗址区的实景三维模型数据和正射影像、遗址立面的正射影像以及其他数字化成果。其技术路线如图 4 所示。

1) 数据分析/预处理
对提交的航摄成果进行二次检查分析，确保数据完整、元数据信息完备。检查后应保证 POS 记录信息与影像成果对应一致，无缺漏和不匹配现象，图像质量和文件格式正确无误，相机参数信息齐全。

2) 影像匀光处理
作为无人机航摄的影像，包括下视影像和倾斜影像两种不同类型的成果，由于大气对光的折射能使光在大气层中传播的路线由规则直线变成不规则曲线，能使生成的影像产生位移和变形。尤其拍摄角度较大的倾斜影像，影像位移、色差和变形更为明显，大气介质能吸收光的能量，因而使光传播的速度变得缓慢而引起亮度减弱。倾斜摄影中大气对光的折射、散射和吸收直接影响着影像的反差、影调、色差和清晰度，因此在大多数情况下，倾斜影像和下视影像会存在一定程度上的色调差异。对倾斜数据进行匀光处理后，可以有效地提高倾斜影像质量，确保后续空三连接点匹配的效率和精度，并提升三维模型的质量。

3) 空三平差处理
传统的空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据，而多视角影像联合平差需要充分考虑影像之间的几何变形和遮挡关系，因此倾斜摄影空三平差处理最重要的是如何将垂直下视影像和倾斜影像进行混合平差。
基于 Smart3DCapture 软件，对获取的特征点再采用多视角匹配同名点，然后反向解算出每张图片的空间位置和图片的姿态角度，从而确定图片间的关系。空三加密完成后，可以在 Smart3DCapture 软件里面查看到整个航带的飞行情况，解算出空三点的位置密度，每张图片的像对位置还有图片所覆盖的范围方位角等信息。同时，通过建立连接点和控制点坐标文件，可以实现多视角影像自检校区域网平差迭代计算，通过多次反复联合解算，最终得到
符合精度要求的平差结果。

4) 三维重建
空三加密及控制点刺完后开始建立模型贴图。 Smart3DCapture 在三维重建过程已经能够实现全自动计算，会依据内部规则算法，自动选择在对面视角上的最佳像对模型，最终形成三维尺度的密集点云，点云随后自动转换为不规则三角网 TIN 结构，同时将由于图像匹配错误而引起的 TIN 进行删除和修复，并基于内在几何关系，将 TIN 模型进行平滑和优化，达到最佳的三维表达效果。通过空三加密点计算出不规则三角网 TIN，并且生成白模的三维模型，再通过三维模型形状位置从航片里选取最合适的进行纹理的贴合，最终形成完整且真实的三维模型体。

2．3 三维建模成果
引入控制点后，内业加密点对附近野外控制点的平均保持在±2 mm 以内，完全满足三四等水准测量精度要求。但是表 4 结果表明，半参数模型的拟合精度与推估精度均明显优于二次曲面，这说明在处理高程异常拟合中，半参数二次曲面拟合模型更加科学、合理。

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