基于Agisoft PhotoScan的非量测相机图像三维模型构建及精度测试外文翻译资料

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基于Agisoft PhotoScan的非量测相机图像三维模型构建及精度测试

李秀全^a,b,c，陈祝安^a,b,c，张丽婷^a,b,c，贾丹^a,b,c,*，

^a华东理工大学地理信息学院，江西南昌330013，

^b国家流域生态与地理环境监测重点实验室，江西南昌330013，

^c江西省数字土地重点实验室，江西南昌330013。

摘要

为了解决投资大、处理周期长、技术难度大的问题，本文提出了一种利用Agisoft PhotoScan软件构建和测试非度量相机图像三维模型精度的方法。该软件在数据预处理的基础上，提出了定位数据、提取点云、建立不规则三角网、建立数字高程模型和生成数字正射影像图的方法。从这些网络，可以建立一个研究领域的三维模型。实验结果表明，该方法可以快速建立高精度的三维模型。缩短了施工时间，减少了制作地图所需的相关投资。该方法是一种稳健、快速的三维建模方法，具有广泛的应用价值。

版权所有2016作者。由爱思唯尔B.V.出版，2016健康城市组织委员会负责同行评审。

关键词：Agisoft PhotoScan；非量测相机；三维模型构建；精度检验。

1．介绍

基于不同视点的二维图像重建空间物体的原始三维模型一直是摄影测量和计算机视觉领域的研究热点。在实际应用中，三维模型能够直观、高效、实用地反映真实地物的基本地理信息，改变了传统模型，大大提高了工作和研究的效率。然而，只有准确测量目标特征的三维数据，才能用于后续的三维结构模型构建和快速响应制造。如何提高目标物体三维数据的效率、方便性和准确性，已成为当前研究的热点^2,3。目前，三维建模是一个复杂的过程，涉及到很长的工作周期，具有很高的应用价值，如三维激光扫描仪。开发新的解决方案将提高流程的效率、速度和质量，这有很大的范围和潜力，但这些方案仍有待充分开发。

近年来数码相机技术的飞速发展，极大地提高了摄影图像的质量和分辨率。数码相机产品的高性价比为三维建模提供了广阔的发展空间。在应用一个或多个不同位置和角度的普通电荷耦合器件（CCD）数码相机获得可重建以生成目标三维模型的图像或图像集合方面也取得了进一步进展。

以江西梦幻公园三维岩石景观为例，利用Agisoft PhotoScan软件对非量测数码相机拍摄的图像进行多角度处理。采用多视图三维重建技术建立三维模型。在对点云数据进行处理后，首先得到局部点云数据，生成TIN用于构建纹理图谱。最后，建立了研究区的数字高程模型（DEM）。结合正射影像重建三维模型，实现三维几何场景的表示。

2.基于图像的三维重建及相关软件介绍

2.1.基于图像的三维重建

在数字图像处理中，利用非量测相机拍摄的一幅或多幅图像所获得的目标物体的空间几何信息，重建三维模型，其主要任务是：首先，利用光照和阴影来表示目标的三维形状，其主要任务是基于一幅或多幅图像恢复目标的三维几何信息^4,5；第二种方法是双目立体视觉方法，模拟人的视觉空间结构。在固定的相对位置上使用两台性能相同的CCD摄像机，可以从两幅图像中获取一个场景进行三维重建。考虑到数码相机参数是否已知，三维场景几何信息的重建可以分为已知参数和未知参数⁶。

2.2.三维重建软件Agisoft PhotoScan简介

Agisoft PhotoScan是由俄罗斯Agisoft公司开发的三维扫描软件包。它是一个基于图像数据处理的高级三维建模软件包。它采用了最新的三维重建技术，可以从多个角度处理由非公制相机拍摄的任何照片，数据范围从小型雕塑到无人机（UAV）捕获的大量数据。它可以处理一系列图像，生成高质量的数字正射影像图（DOM）和数字高程模型（DEM），然后从中建立三维模型。三维场景在文物保护、工业、考古学、生物学、医学以及一些军事应用等领域有着广泛的应用。本软件的优缺点如下：

（1） Agisoft PhotoScan的优点

Agisoft PhotoScan可以在不设置初始值和控制点的情况下，全过程自动构建三维模型，使用户非常方便。只有一个前提条件，即目标的两幅相邻照片之间存在对应点，才能在任意位置、任意角度拍摄。与使用三维激光扫描仪构建表面特征的三维模型相比，该方法效率高，成本低。

（2） Agisoft PhotoScan的缺点Agisoft PhotoScan需要一台能够进行图形处理的高性能计算机。三维模型的构建速度取决于照片的数量和RAM等相应的参数。处理数据量越大，建立三维模型的时间就越长。与三维激光扫描仪相比，上述方法获得的精度较低，因此，对于需要较高精度的三维测量，仍然需要三维激光扫描仪。

3.三维建模

3.1.基本流程图

本文介绍了Agisoft PhotoScan的工作流程，如图1所示。

图1：三维模型重建流程图

原始数据采集

数据预处理

畸变校正

图像导入

对准照片

控制点添加

定向点云

TIN生成

外部设置

DEM、DOM生成

三维模型的建立

3.2.原始数据处理

本文的实验数据来源于江西梦幻公园三维岩石景观。受场地和

观岩石大小的影响，采用无人机航拍和地面摄影相结合的方式无人机（UAV）获得的两幅图像显示在Fi中图2和图3。

图2：无人机拍摄的景观岩 图3：无人机右立面景观图

石左立面图

在数据处理过程中，研究区域的图片应该足够，但是盲区应该最小化。相机和支架装在飞机上拍照，需要连续拍摄，不需要任何间隔。同时，还需要参考航空摄影测量的标准，即要求60%的横向重叠和80%的正向重叠。使用的相机是一台索尼NEX-7，像素为24000000像素（6000x 4000），像素大小为0.0039mm，主镜头焦距为16mm。有三次射击和八次飞行。空中摄影拍摄从三个侧面进行，包括顶部、后部和前部。正面采用正射，背面和正面采用斜射。地面摄影是对航空摄影的补充。射程从30米到60米不等。总共拍了750张照片。目标空间分辨率小于0.01米。

3.3.定向和点云数据提取

经过失真处理后，将图像加载到Agisoft PhotoScan中，软件会自动与相机对齐。在此阶段，软件将搜索相应的点，同时匹配照片，以识别相机的位置。如果有许多照片，则对齐过程需要很长时间。如果只选择了图像的一个子集并需要对齐，则加速处理。本文利用数字图形工作站DELL X25处理的非量测相机获得的原始数据进行三维模型的建立。低精度用于一般主模式设置。在地面控制的主要模式下，根据非量测相机的位置选择重叠图像。经过上述调整后生成稀疏点云。在本研究中，九百万点是由Agisoft PhotoScan软件以ASPR S LAS（LAS）文件格式生成的云数据。

3.4.TIN生产

传统的测绘主要是单点的精确测量。利用该技术获得的数据，在三维模型的构建中存在许多问题。为了充分描述目标特征的结构特性和在线场景的几何信息，需要收集到8个点的数百万个点⁸。Agisoft PhotoScan可以用密集的点云构建不规则三角网（TIN）。在此基础上，基于有限点集划分目标区域，生成三角形曲面网格，其中区域中的任意点用于在相应三角形的侧面或内部定位顶点。本文建立了200万个不规则三角网（TIN）模型。TIN根据复杂地形起伏变化采样点之间的密度，确定采样点的位置，以减少平坦地形的数据冗余。这是在山谷线、山脊线等地形特征点的基础上，反映数字高程特征。然后，将高程点插值到得到的三角网中，生成不规则三角形网格模型。

3.5.纹理设置

根据TIN进行纹理映射。在Agisoft PhotoScan中，有五种映射模式用于生成纹理，包括常规模式、正交投影图像、自适应正交投影图像以及球体和单相机。根据研究区域的特点，选择了目标曲面分为水平和垂直两部分的自适应正交投影模型。在曲面平坦且根据地图垂直部分的变形呈现精确纹理的情况下，使用正交投影变形。在这种模式下，软件以更好的方式显示纹理信息，并保持较高的质量。局部纹理图如图4所示。

图4：局部纹理图

3.6.结果输出

数字高程模型（DEM）是地形表面形态属性信息的数字表达，它以数字的方式描述了地形的空间位置特征和属性⁹。DEM代表地形表面的高度值，常用于航空测量中。投影和像素值的类型和视图平面随输出的DOM而调整。导出格式通常是GeoTIFF（*tif）和JPG格式。本文通过一系列的处理，生成数字高程模型，并通过光线和颜色的统一来生成正射影像。结合上述DEM和DOM，重建三维模型进行研究，如图5所示。

图5：景观岩石的三维模型重建

四。精度测试

三维模型应该与真实建筑的形状和大小保持理想的一致。但实际上是由于数据源、构造方法等方面的限制而产生的某种类型的错误¹⁰。为了检验生成的三维模型的准确性，共对10栋建筑物进行了距离测量车站。导线长度的相对中误差为0.00003，控制点的误差为测量值小于0.1米。大多数控制导线长度的相对均方误差分数低于0.05%。实验生成的三维模型与实际模型的长度比较测量长度，结果误差数据如表1所示。表中显示相对误差较小大于10%，与实际现场数据相似，因此三维模型重建具有较高的精度。

表1。相对误差计算。

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