利用倾斜摄影测量和地面摄影测量建立真实三维模型的研究外文翻译资料

 2022-11-11 14:49:09

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利用倾斜摄影测量和地面摄影测量建立真实三维模型的研究

韩有梅、焦明莲、石娟

1．中国江苏连云港淮海理工学院

2．北京市城市空间信息工程重点实验室

关键词：倾斜摄影测量;倾斜摄影测量与地面摄影测量相结合;3D真实化建模;自动建模

摘要：

随着倾斜摄影测量技术的迅速发展，许多城市利用这种技术建立了一些真实的三维模型。虽然具有周期短、效率高、空角效果好等优点，但这些真实三维模型的近地视角不是很好。随着智慧城市的不断发展，对真实三维模型的真实性、实用性和准确性的要求也越来越高。如何快速生成和改进真实的三维模型已成为地理空间信息研究的热点方向之一。为满足这一要求，本文结合当前倾斜摄影测量建模和地面摄影测量的特点，提出了一种由近距离传感器设计、数据采集和处理组成的新工艺流程。该方法采用倾斜摄影图像进行了实验研究，实验结果验证了该方法的有效性。

1.前言

倾斜摄影技术是近年来发展起来的一项新技术。在一个空中平台上安装多个摄像头，可以同步获取建筑物的顶侧数据。这项新技术改善了传统摄影测量由于数据高度重叠和多视图的局限性(杨国栋，王明水)。该技术构建的真实三维模型能够满足智慧城市建设的一些要求。目前已用于应急指挥、国土安全、城市管理等领域。

目前，斜向摄影测量技术的应用已经广泛开展，由其构建的真实三维模型逐渐成为城市空间数据框架的重要组成部分。但其构建的真实三维模型的近地面部分存在变形(曲林等)、纹理模糊等问题，不能满足智慧城市建设的更高要求。将地面摄影测量数据与倾斜摄影测量数据相结合，更能提高真实的三维空间。

2.建模过程

2.1设计建模步骤

斜向摄影测量在顶部和一些高边真实三维模型的构建上表现良好。根据倾斜摄影测量原理，设计了一种新的地面多视点图像采集装置，利用该装置获取了一些地面和建筑侧面图像，然后将倾斜摄影测量图像与地面数据相结合，构建出在几何和纹理上都更加完善的真实三维模型。

图1

由于空中和地面图像的角度和分辨率不同，利用倾斜摄影测量数据和地面图像进行直接的空中三角剖分比较困难。所以本文空中图像和地面图像需要操作(在)分别之后,上面的两个结果结合在再次得到优化结果,最后精制结果用于模型。(图1)

2.2 关键技术

2.2.1地面图像获取技术

传统的地面图像采集一般采用单台数码相机或GPS数码相机。但这类传感器往往会带来更大的工作量，尤其是在相对较大的项目中。我们设计了一种新的传感器来解决这个问题。它由6个不同的直接相机和一个GPS组成，GPS在它的顶部(图2)。相邻的摄像机必须有一定的重叠。这种新设备可以在一定的距离或时间间隔内获取数据。同时，每个图像的位置可以通过GPS得到。从而提高了数据获取的效率。这个设计的理念是:

1）

一方面需要覆盖所有垂直方向的图像，另一方面需要保持成本;

2）

相邻摄像机视图的重叠不小于30%;

3）

它可以使这六种摄像机同步获取图像，并可以在一定距离或一定时间间隔内获取数据;

4）

在设计的顶部有一个GPS天线，我们可以通过它得到图像的位置;

新的传感器的设计草案(a)

设计的物理设备（b）

新传感器的控制装置（c）

图 2 新设备的设计和外形

经过一些实验，我们选择了6台摄像机来安装新设备。1号摄像头定义为左摄像头，2号摄像头定义为左前摄像头。3号摄像头定义为右前摄像头，4号摄像头定义为右前摄像头。5号摄像头为右后摄像头，6号摄像头定义为左后摄像头。根据摄影测量原理，相邻两个相机之间的重叠不小于30%。为了获取建模数据，将新装置安装在车辆顶部。左右摄像头方向的图像重叠度在80%左右，并设置一定的采样间隔来保证这种情况。

2.2.2控制点布局方案

有一些关于倾斜摄影测量控制点布置方案的论文，但是为了将近地和航拍图像结合起来进行AT，这些方案不能直接使用。提出了一种新的控制点布置方案。每平方公里至少有四个控制点，大多数控制点都在地面和道路交叉口。最重要的是所有的控制点都要从航拍图像和地面图像中看到。

3 新发明的实验情况

3.1 实验区概况

实验区是一个普通公园，里面有很多中低层建筑。该空调系统具有良好的倾斜摄影测量数据采集能力。同时，道路也为地面数据采集提供了方便。面积约1平方公里。

3.2数据采集

斜向摄影测量的设计地面分辨率约为2cm。倾斜摄影测量传感器是上海航姚信息技术公司研制的一种航拍设备ARC 524(图3)，由6个摄像头组成。向下相机焦距为20mm，侧视图相机焦距为35mm。实验区飞行轨迹如图4所示。

图3无人机和航拍相机

图 4实验区飞行轨迹

地面摄影测量是利用本课题研制的新装置进行的。单台相机大约有2000万像素。地面图像的重叠度设计为85%。具体的采集间隔按公式1计算）:

f/p=d/D 1）

f是左右相机的焦距,p是单机水平方向的相位振幅的宽度,d是图像的宽度,D是估计距离摄像机所测量的主要对象,一些高层建筑的侧等. .(1-85%) d为采样距离。实验区地面图像采集的轨迹如下。

图 5近地图像采集的轨迹

3.3 控制测量

控制测量采用网络RTK进行(图6)，每点测量3次，取平均值作为最终结果。

图 6控制点调查现场

3.4 数据处理

数据处理包括图像预处理、图像位置文件的输入、AT和建模。提出了在航拍图像与地面图像相结合时增加共享控制点的做法。在数据处理中，使用软件 (Context Capture User Manual version 4.4.)进行AT和建模。

3.5模型效应分析

图7仅采用倾斜摄影测量法构建的模型

图8斜向摄影测量与地面摄影测量建立的模型

在图7中，斜向摄影测量得到的模型有一定的变形，如近地窗、屋顶边缘、屋檐等。通过对地面图像数据的添加，大大改善了模型的几何信息。从局部放大图像可以看出，建筑的纹理信息和几何信息得到了很大的改善(图8)。主要原因是地面照片分辨率高，构成了模型的地形图。与仅用倾斜摄影测量的结果相比，屋檐下的模型也有了较大的改进。大实验区域模型如图9和图10所示。

图9倾斜摄影测量产生的大实验区域模型

图10斜向摄影测量和近距离摄影测量产生的大实验区域模型

为了验证实验结果，本文对另一区域的地面图像进行了建模实验，结果如下:

图11仅由斜向摄影测量(OP)制作(左)、由斜向摄影测量(OP)和地面摄影测量(右)制作的一个建筑模型侧面

图12仅由OP制作的一个大型建筑模型的鸟瞰图

图13由OP和近景摄影测量制作的一个大型建筑模型的鸟瞰图

从图11到图13也证明了地面图像与倾斜图像的结合可以改善模型。

4 结论

本文主要解决倾斜摄影测量真实性三维建模产生的城市的局部变形问题,新方法通过结合斜摄影测量和地面摄影测量,提出了一个新的地面图像采集设备也成立,由六个摄像头和一个GPS天线的设备上。 这种新装置可以安装在车辆上，在一定的时间或距离间隔内获取图像。从而提高了数据采集效率，能够满足地面摄影测量的要求。

根据设计过程，利用Context Capture软件，对地面图像和倾斜图像进行空中三角测量。根据结果进行模型制作，模型结果改善了局部变形，能更好地满足智慧城市的需求。数据获取时间是非常重要的，因此倾斜摄影测量与近距离摄影测量之间的时间应该尽可能的接近。但是，该方法的准确性和有效性有待于在今后实际工程中进一步探索。

《国际摄影学会摄影测量学、遥感与空间信息科学年鉴》，第四卷至第三卷，2018年5月7-10日，中国北京，IISPRS TC III“遥感的发展、技术与应用”中期研讨会这一贡献已经过同行评议。双盲同行评审是在全文的基础上进行的。

参考文献：

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Zhou Xiaomin etc. (2016)The construction method of urban real 3D model with tilt Photogrammetry. Science of Surveying and Mapping.

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Context Capture User Manual version 4.4.(2017)

Revised April 2018

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