低空航空和地面摄影测量数据在3D传统建筑建模中的集成外文翻译资料

 2022-08-21 23:35:15

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低空航空和地面摄影测量数据在3D传统建筑建模中的集成

摘 要

航空摄影测量技术是可用于生成地形图的地理技术之一，而地面摄影测量技术已用于生成对象的3D模型。两种方法均可用于许多应用，包括记录遗产建筑。进行这项研究是为了研究两种摄影测量方法的组合，即使用轻型旋转翼无人机（UAV）和地面摄影测量法生产3D传统建筑的航空摄影测量法。在这项研究中，建筑物被模拟为位于马来西亚理工大学区的文物建筑。无人机用于在建筑物配备有高分辨率数码相机的地方获取建筑物及其周围的数字航空影像。对于地面摄影测量，使用类似的高分辨率数码相机从地面获取建筑物立面的数字图像。为了精确测量，对高分辨率数码相机进行校准，然后将恢复的参数用于数字图像处理。使用全站仪分别在建筑物的周围和外立面上建立地面控制点（GCP）和控制点（CP）。 GCP用于航空摄影测量的图像处理，以产生建筑物的正射像和脚印。对于CP，它用于地面摄影测量的图像处理，以生成建筑物的3D模型。然后将两种方法的结果合并在一起，将建筑物的3D模型放置在正射影像中建筑物的占地面积上。总之，地理学产物已经被考古学家使用了几十年，然而，3D建筑等产品可以帮助考古学家更好地对文物建筑进行重新编码。

关键词 地理，航空摄影，地面摄影，近景摄影和3D建筑

引言

随着测量硬件，计算机和软件的飞速发展，“测量”一词已发生变化，并被广泛称为“地理”。众所周知，地形图，平面图，3D坐标，横截面等地理信息的输出已使工程师，建筑师，规划师，管理人员，科学家，研究人员等各种专业受益。在本文中，将对摄影测量学进行更多讨论 讨论是从空中还是从地面获取照片。其他地理技术也将进行讨论。

摄影测量是一种利用照片/图像进行三维物体测量和建模的技术。在摄影测量学中，基本概念包括获取两张相互重叠的连续照片，这是允许物体图像投影的必要条件，适用于三维测量和建模，如图1所示。摄影测量可分为两大类，即航空摄影测量和地面摄影测量（或称近景摄影测量）。

图1：用于3D测量和建模的两张连续照片（左右照片）。资料来源：[22]

航空摄影测量

2.1 载人飞机

该平台自近十年来一直在使用，特别是在地形图的准备工作中。在这种方法中，使用专门安装在有人驾驶的商用飞机上的数字公制相机拍摄照片。图2显示了安装在飞机上的航空相机，用于摄影任务的飞机和航空摄影。相对于受调查区域的有限扩展，航空摄影测量的成本通常非常昂贵。

图2：（a）安装在飞机上的航拍相机系统，（b）用于航拍的飞机，（c）航拍。资料来源：[17]

2.2 无人机

根据[5]，无人机将被理解为无人居住和可重复使用的机动飞行器。这些飞行器是是远程控制，半自动，自主或具有这些功能的组合。

图3：不同类型的民用无人机的示例（a）旋转式（b）固定翼

上图3所示的某些固定翼平台和微型直升机（旋转式）可被视为无人机，因为它们是“经过设计或改装的飞机，不携带人类飞行员，而是通过飞机启动的电子输入进行操作的。飞行控制器或通过不需要飞行控制器干预的机载自主飞行管理控制系统”[4]。如今，无人机配备了现成的数码相机，全景相机以及大量不同的客户静态摄像机和便携式摄像机[18]。GPS/INS系统的精确导航和定位功能对此进行了改进[24、25]。图4显示了用于测绘的无人机系统。

图4：用于测绘应用的无人机系统。资料来源：[2]

地面摄影测量

地面摄影测量是指将相机支撑在地球表面的应用。通常，摄像机安装在三脚架上，相机轴朝向或靠近水平面，如图5所示。

图5：地面摄影测量：相机安装在经纬仪三脚架上，拍摄文物建筑照片。资料来源：[11]

3.1 近景摄影测量

地面摄影测量通常被称为近景摄影测量，与物体的距离小于大约300米的目标进行摄影测量[3]。图6显示了近景摄影测量工作从计划到3D模型制作的一个例子。

图6：近景摄影测量工作的几个示例：（a）拍照（b）按顺序拍摄的图像（c）3D模型来源：[23]

无人机用于文化遗产

例如，让我们考虑一个建筑的3D测量的完成，其中的屋顶也要以高分辨率捕捉，或当一个高层建筑必须与它的屋顶成像。配备高分辨率数码相机的微型或微型无人机的可用性使人们可以从非常规的视角捕获图像并响应上述关键要求。无人机已成功应用于绘制考古遗址地图，而其他测量技术并不适用[6]。

4.1 教科文组织

从联合国教科文组织的《世界遗产名录》（whc.UNESCO.org）可以看出，最近增加的许多遗产实际上可以按文化和自然分类。教科文组织在一份新闻稿中（第2002-77号：“对教科文组织来说，空间技术应当用于可持续发展”）强调利用航空传感器技术监测世界遗产地[21]。

研究方法

5.1 研究背景

在本研究中，主要使用两种硬体，轻型旋翼无人机和高解析度数位相机。低空无人机是本研究的首选，因为它专注于涉及小面积的大比例尺测绘。图8显示了本研究中使用的无人机和数码相机。

图8：本研究中使用的仪器（a）轻型旋转翼无人机六边形直升机（b）数码相机

本研究采用高分辨率的Sony Alpha NEX-5N数码相机获取模拟遗产建筑模型。这款相机有161mp CMOS传感器和AVCHD格式的1080p 60p高清影片。在这项研究中，微型无人机（也称为HexaKopter）已用于获取仿真模型的图像。HexaKopter有6个叶片，其中3个叶片顺时针旋转，其他3个叶片逆时针旋转。索尼数码相机安装在HexaKopter的底部，可在飞行操作中捕获航空图像。本研究将航空摄影测量数据与近景摄影测量数据相结合，构建3D文物建筑模型。换句话说，数据将从遗产建筑的底部到顶部覆盖。为了进行研究，将马来西亚理工大学的一栋建筑模拟为一栋文物建筑。图9显示了马来西亚理工大学地理信息与房地产学院（FGRE）新大楼的鸟瞰图和侧视图。

图9：模拟的文物建筑（a）主入口侧视图和鸟瞰图（b）左前视图和鸟瞰图

5.2 数据采集

5.2.1 使用空中平台（旋翼无人机）进行航拍

利用无人机飞行计划软件在实验室/现场计划飞行和数据采集，从目标区域(AOI)、所需的地面样本距离(GSD)或足迹(从虚拟地球下载)开始，并了解安装的数码相机的固有参数。通过修正图像比例尺和相机焦距，得到飞行高度。太空中的相机曝光站或称为“航点”是通过固定纵向和横向的重叠带来计算的，而机载GNSS/INS的存在通常被用来指导图像采集。在飞行过程中，平台通常由一个控制站进行观测，该控制站显示实时飞行数据，如位置、速度、姿态和距离、全球导航卫星系统观测、电池或燃料状态、旋翼速度等。该系统允许在计算出的“航路点”之后进行图像数据采集。图10描述了获取研究区域数字航空照片所涉及的操作/过程。

图10：使用旋翼无人机进行数据采集的程序（a）规划航路点，（b）与无人机相关的规划数据，（c）自主起飞（d）航空摄影（e）自主降落

5.2 利用地面平台进行航空摄影

为了实现数字摄影作品，必须捕获对象结构的数字图像。拍摄时必须考虑一些条件，例如环境情况，相机到物体/结构的距离，拍摄角度，摄影配置和数量。照相台的放置是非常重要的阶段。这是因为捕获的图像将使用称为PhotoModeler的数字近景摄影测量软件进行处理。在此软件中,某些东西必须与PhotoModeler的规则和近景摄影测量原理保持一致。

5.3 相机校准

为了获得最高的准确度，有必要在近景摄影测量中解决摄影场内镜头畸变的变化。为了消除图像失真，需要对相机进行校准。相机校准过程将提供相机参数的恢复，例如焦距，主点坐标和镜头失真。图11显示了相机校准过程中使用的校准板，图像采集过程中的相机位置以及校准数据处理过程中的相机相交光线。

图11：相机校准（a）校准板（b）相机位置（c）光线的相交束

相机校准的结果显示在表1中。相机校准过程中恢复了10个参数，包括焦距（c），主点（XP和YP），格式宽度（FW），格式高度（FH），径向镜片畸变（K1，K2，K3）和偏心镜片畸变（P1，P2）。

表1：相机校准结果

5.4 数字图像处理

5.4.1 航空摄影测量

所有采集到的数字航空图像都是使用名为Erdas Imagine的摄影测量软件进行处理的。该软件允许在存在两张以上照片的情况下进行三角测量。三角剖分完成后，可以形成立体模型，进行矢量化或数字化，生成数字地图。该软件还允许生成自动数字地形模型（DTM）和正射影像，这些产品可以在以后的地理信息系统环境中使用。

5.4.2 近景摄影测量

在此阶段，对获取的建筑立面数字图像进行处理，建立三维模型。这一过程是在名为PhotoModeler的处理软件中完成的。这个基于窗口的软件用于从数字图像中提取测量值和三维模型。通过使用摄像头作为输入设备，PhotoModeler让用户在短时间内捕捉到精确的细节，并生成3D模型。三维模型是一组表示对象的三维点、边、曲线、柱面或形状的集合。三维点具有每个笛卡尔坐标(X、Y和Z)的坐标值。三维模型中的点和边可以由线和/或称为曲面的补丁连接。当模型投射到平面(如计算机显示器或打印页面)上时，这种连接用于三维可视化。

结果与讨论

6.1 使用无人机进行航空摄影测量

如第五节所述，使用Erdas Imagine软件和GCPs对数字航拍图像进行处理。先进行三角测量，然后生成DTM，最后生成正射影像。生成正射影像的最初目的是获取新的FGRE建筑的足迹，然后生成该建筑的3D模型。随后，建筑的足迹和三维模型被结合在一起或集成在同一个坐标系中。图12显示了使用Erdas Imagine软件生成的研究区域的正射影像。这些结论还表明，从旋翼无人机获得的数据可以用于生成正射影像。

图12：研究区域的正射影像

6.2 使用无人机和地面平台进行近景摄影测量

本研究的主要目的是将航空摄影测量与近景摄影测量相结合，以新的FGRE建筑为例，建立文物建筑的三维模拟模型。对于航空摄影测量，成功地获取并处理了数字航空图像（图12）。新的FGRE建筑的三维模型开发仍在进行中，由于其结构复杂，有时需要生成它。目前，在新FGRE建筑区内的一座小型国家能源建筑物（TNB）已成功地进行了三维建模，如图14所示。

表2显示了PhotoModeler软件中的点ID、均方根残差（像素）、最大残差（像素）、X精度、Y精度、Z精度和角度。均方根残差不得大于5像素，以确保测量项目准确且始终处于控制状态。如果RMS值大于5个像素，则由于误差，特别是在使用极线匹配工具进行图像参考时，该点将被标记在错误的位置。PhotoModeler软件包含检测极线轨迹的工具，定义新的连接点后，对每个导入的点或角度进行迭代升级。如果用户定义的连接点距离极线轨迹太远，则该点将不用于校准，并且该点将被标记为潜在错误。图13显示了该软件如何定义一个连接点并在边缘检测到极线迹。

接下来，使用PhotoModeler处理的可视化输出/结果处理如图14所示。输出以线开始，然后是线框和阴影。此软件允许将产品导出到AutoCAD中进行进一步编辑，并根据所涉及的应用程序进行处理。图15显示了无人机平台和近景摄影测量平台的摄像机位置。这说明这两个平台可以集成在一起，生成小型TNB建筑的三维模型。采用同样的方法，可以预期新的FGRE建筑也可以成功地建模，但是要达到研究的目的还需要更多的时间。

表2：点表质量评估

图13：使用PhotoModeler进行图像参考过程中的对极工具

图14：使用PhotoModeler制作的建筑结构

图15：PhotoModeler软件中显示的相机位置

结 论

摄影测量建模的主要优点是程序的经济性。与现场测量尺寸相比，地形工程要短得多。建模所需的时间与绘制对象所需的时间大致相同。与二维绘图相比，使用三维建模可以获得更多的信息。模型可以在其他建模或动画软件中导出，以便进一步处理（元素编辑、添加光源、创建动态视图等）。根据软件的质量，模型的精度和精度可以更高。摄影测量建模的一个重要优点是获取关于无法接近的结构或其某些元素的信息。这对于位于崎岖地形上的文物或建筑物，或具有高且无法接近的立面的结构元素来说是必不可少的。与传统的文物建筑或只包含尺寸的物体的建筑图相比，模型还包含了有关使用材料的详细信息。如果结构出现损坏的部分，这些部分随后与模型一起标注尺寸，则这一点很重要。

采用数字近景摄影测量（DCRP）方法，结合基于航空摄影测量技术的旋翼无人机图像，成功地生成了该仿真建筑的三维结构。我们的下一个任务是基于DCRP对整个新的FGRE建筑进行建模，然后在公共参考坐标系和GIS环境下结合建筑的足迹。在地学方面，几十年来，考古学家使用了许多类型的产品，如地形图、专题图、数字地图、正射影像、地形数据库、工程规划、认证规划等。然而，诸如建筑物的三维模型等产品可以帮助他们制作更好的记录，特别是对于文物建筑。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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