倾斜摄影建模测图技术方案6922

倾斜摄影建模测图 技术方案 天津腾云智航科技有限公司 第一部分 倾斜摄影影像获取.3 1.1 概述.3 1.2 飞行载体.3 1.3 倾斜摄影相机.7 第二部分 倾斜摄影建模测图生产.11 1 倾斜摄影建模.12 1.1 概述.12 1.2 自动化建模.12 1.2.1 DP-Smart 简介.13 1.2.2 数据检查与预处理.13 1.2.3 DP-Smart 三维模型生产过程.14 1.3 DP-Modeler 精细化建模工具.18 1.3.1 DP-Modeler 简介.18 1.3.2 DP-Modeler 原理.19 1.3.4 DP-Modeler-Mesh 模型修饰.22 2 倾斜摄影地形图测绘.27 2.1 地形图测绘.27 2.2DP-Modeler 矢量测图.28 2.2.1 字典功能.29 2.2.2 点、线提取.30 2.2.3 等高线.32 2.2.4 屋檐纠正.33 2.2.5 矢量导出.33 第三部分 案例.34 案例 1 某地方三维自动化建模项目.35 案例 2 酒泉精细化建模项目.37 案例 3 衡水测图.38 第一部分 倾斜摄影影像获取 1 倾斜摄影航摄平台 1.1 概述 倾斜摄影中航摄平台作为原始影像获取的重要设备，有着不可替代的作用和地位。航摄飞行器与航摄仪组成了航空摄影平台。航摄仪的性能参数，对飞行载体提出了明确需求，飞行载体允许到达的高度、速度和效率为航摄仪提供了直观的选择依据。1.2 飞行载体 飞行平台是指用于航空摄影的飞行载体。根据任务不同，要求不同，使用相机不同，需选择不同类型的飞行平台。适用于倾斜摄影的飞行平台大致可分为固定翼和旋翼两大类，每一类按照操作方式的不同又可分为有人驾驶和无人机。航摄相机依靠飞行平台作为载体，其搭载方式主要有两种，一种是在飞机机舱底部开出对地面摄影窗口，用于安置航摄相机和有关设备；另一种是外挂，借助飞行平台的外挂点，按照飞行平台外形订制航摄相机外挂支架。中海达无人机 无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、无人飞艇、无人伞翼机等。而适合进行倾斜摄影的无人机主要有固定翼无人机和多旋翼无人机两种。中海达 iFly 系列无人机源于中国航天专家团队，专注于无人机核心技术和产品的研发，研发团队的核心技术人员拥有多年在系统总体、复材结构、导航控制、地面站等多学科专业的工程经验，掌握了无人机总体设计技术、飞控系统技术、嵌入式软硬件技术、地面控制站技术等核心技术，具有丰富军用、民用等国家重点无人机型号研制的工程经验，曾主导和参与过十多款无人机产品设计和开发。1.2.1.1 iFly D6电动多旋翼无人机 iFly-D6为专业级多旋翼飞行器；机身采用进口碳纤维一体模具成型,具有防火防雨防尘功能，领先于目前国内市场其它多轴产品；整机抗电磁干扰设计，适应能力强；机臂采用插拔式快拆结构，方便使用和维护；轻量化的机身和任务载荷设计；高效率动力系统；,飞行时间达到 40 分钟；iFly-D6 可完成精准悬停、匀速巡航、航线规划等；完美的空气动力学设计，具有超强的抗风能力；低电压自动保护功能；信号丢失保护功能；支持多种功能载荷。iFly D6 无人机性能参数 1.3 倾斜摄影相机 倾斜摄影相机是指用来获取地面物体一定倾斜角度影像的航摄相机，倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术。倾斜摄影相机是在数字航摄仪的基础上，根据倾斜摄影原理，通过在同一数字航摄仪上使用多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集地面影像，倾斜摄影航摄仪又称为多线(面)阵、多角度数码相机。中海达 iCam Q5 采用成熟可靠的工业化设计和制造工艺，采用工业级 ABS 材料机身，通过模块化机身组件设计，装配多台传感器，实现了高精度、宽区域覆盖、高效率的航摄任务拍摄。相机可兼容多种无人机飞行平台，能适应多种天气和自然环境下的航摄任务。iCamQ5 倾斜摄影相机 1）特点 1、UPS 供电 支持相机自身双供电和无人机电源供电，三种模式可自由切换 2、状态监控 电量、曝光信号和相机状态检测并有 LED 灯显示 3、触发兼容 支持 PWM 和 TTL 定点信号触发；兼容多种型号无人机 4、双路曝光 支持定时定点曝光；具备有线和无线双路曝光功能，可选择一路或双备份使用 5、相机复开 支持相机意外关机后，自动检测并开机 6、数据保密 只有通过密码认证后才能允许拷贝航空摄影图像 2）参数 1.3.1 主要用途 适用于航空倾斜摄影飞行任务，完成大比例尺倾斜影像数据获取，尤其适合对局部重点目标的高分辨率航摄与建模任务。第二部分 倾斜摄影建模测图生产 1 倾斜摄影建模 1.1 概述 目前来说，倾斜摄影主要应用在于替代传统手工三维建模，倾斜摄影模型有两种成果数据，一种是单体对象化的模型数据，一种是非单体化的模型数据。单体化的模型主要采用半自动化的生产方式，武汉天际航在这方面做了一些研究。非单体化模型采用全自动化的生产方式，自动化建模是基于图形运算单元进行快速三维模型的构建，通过摄影测量原理对获得的倾斜影像数据进行几何处理、多视匹配、三角网构建、自动赋予纹理等步骤，最终得到三维模型。该过程仅依靠简单连续的二维图像，就能还原出最真实的真三维模型，无需依赖激光点云扫描辅助设备，也无需人工干预便可以完成海量三维模型的批量处理。1.2 自动化建模 目前市面上比较成熟的全自动三维建模软件有 AirBus 公司的街景工 厂（StreetFactory）和 被 Bentley 收 购 的 Acute3D 公 司 的Smart3DCapture 以及 DP-Smart 软件等。1.2.1 DP-Smart 简介 倾斜摄影三维自动建模软件 Digital Photo Smart（以下简称DP-Smart）是一套基于从空地多源序列影像，无需人工干预，全自动生成高分辨率真三维模型的自动化建模软件。软件基于摄影测量、计算机视觉与计算几何算法，支持全自动空三计算、密集点云生成、构建 TIN网、自动纹理映射等步骤，实现真三维模型的快速生成。运用倾斜摄影技术获取沿线的倾斜影像及正射影像数据，通过合理布设部分野外像控点，然后将影像数据、POS 数据、野外像控点数据导入 DP-Smart 自动建模系统进行批处理。在计算三维模型数据或 3D TIN纹理方面，DP-Smart 自动建模系统并不需要人工干预。1.2.2 数据检查与预处理 1）航空影像数据检查与预处理 影像数据地面分辨率是否达到要求；通过目视观察，影像质量应确保影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，有较丰富的层次、能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，满足外业全要素精确调绘和室内判读的要求；影像重叠度的检查，确保影像重叠度是否达到要求；影像数据编号，为了方便于后期数据管理和检查。2）POS 数据的检查与预处理（可选）POS 数据的记录是否与影像一一对应；将 POS 数据整理成软件对应格式。3）野外控制点成果数据的检查与预处理 借助 Google Earth 检查野外控制点成果 在作业范围内均匀挑选部分控制点为建模时使用，剩余控制点为后期精度检查时使用。对于建模时使用的控制点，提前挑选好控制点片 1.2.3 DP-Smart 三维模型生产过程 自动化建模流程 1）空中三角测量 导入倾斜影像、POS 数据，DP-Smart 经过提取特征点、提取同名像对、相对定向、匹配连接点、区域网平差等步骤的运算处理，得到摄区空中三角测量成果。空三结果 2）密集点云生成 根据空中三角测量结果，DP-Smart 高效提取影像特征点，生成高密度点云数据。点云视图 3）构建 TIN 网模型 模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，处理过程中将摄区分割成 N 个模型小块进行处理。对每个区块内模型精细构网，可以快速生成 TIN 网模型。高精度的三角格网 TIN 白模 4）自动纹理映射 对 TIN 网模型自动纹理映射，以此生成基于真实影像位纹理的高分辨率实景真三维模型，对真实场景的还原达到了无限接近真实世界。支持输出包括 OBJ、OSGB(OSG)等通用兼容格式，方便导入各主流应用平台，生成多级别金字塔模型，能够流畅应用平台浏览。纹理映射后模型 5）DEM、TDOM DP-Smart 生成真三维模型之后，可直接输出对应区块高精度的 DEM、TDOM 数据，支持多种标准格式的输出（.tif、.dem）等；1.2.4 DP-Smart 拓展功能 支持用户需求实现有偿定制化功能开发。1.3 DP-Modeler精细化建模工具 1.3.1 DP-Modeler 简介 单体化的模型成果数据分两种，一种是传统的 3D MAX 建模，一种是倾斜摄影半自动化的生产方式。倾斜摄影半自动化的生产方式，是在获得影像后，经过定向空三处理，然后通过 DP-Modeler 软件生产三维模型。DP Modeler 是一款集定向、测图、建模等功能于一体的新型软件。DP Modeler 能基于多幅影像进行快速、精确的三维建模，除此之外，与传统的建模方式相比，它最核心的优势体现在：通过对影像多角度观测建模，能够达到模型与影像完全套合，使模型具有精确的三维坐标信息；实现模型贴图自动从影像中采集，一键完成模型贴图。DP Modeler 支持各种倾斜相机、传统航测、手持相机、街景设备、点云等多数据源影像，是一款真正实现空地一体化作业模式的专业摄影测量系统。DP Modeler 软件融合多功能操作处理，窗口布局如图所示：1.3.2 DP-Modeler 原理 利用倾斜摄影可实现单张影像测量原理，在垂直影像上获取顶部结构，四周倾斜影像上获取房屋立面结构信息，对其进行推拉、编辑、调整得到最终模型。利用倾斜摄影建筑物侧面纹理可采集的特点，实现模型贴图自动从影像中采集，一键完成模型贴图。1.3.3DP-Modeler 建模流程 1、选择多边形绘制工具，根据下视影像提取建筑顶部轮廓线。如下图：2、根据倾斜影像判断房屋高度，选择创建柱体工具制作建筑物立面以及房屋附属结构，例如屋檐、单元楼门洞。如下图所示：3、对建好的模型进行一键贴图，得到如下效果。如下图所示：4、自动映射得到模型贴图，不免有些瑕疵，软件中可直接调用 PhotoShop 进行纹理修改，修改后保存的贴图直接可以加载进入软件，无需查找贴图。如下图所示：1.3.3 DP-Modeler-Mesh 模型修饰 三角网的模型，市面最主流的自动化生成软件街景工厂和 Smart 3D，自动化程度很高。但是它也缺少一些结构的信息，DP-Modeler-Mesh 就是对现代的三角网自动生成的成果进行修饰，因为近距离观察的时候模型会有一些瑕疵、变形以及扭曲。我们做一些模型和纹理的修补，与倾斜摄影技术进行融合，并且对倾斜摄影的场景进行修饰，针对沿街的重点的区域进行修复。把实体化的模型和三角网的模型无缝的融合。1.3.3.1 整体修饰 1、平面删除 2、地面缝合 3、模型重建 1.3.3.2 局部修饰 1、立体选择 2、立体选择参数调节包围多面体的高度，底面高度等参数 3、删除模型 1.3.3.3 区域踏平 选择踏平范围，可导入 DEM 和 DOM 作为参考，将建筑踏平至地表面。2 倾斜摄影地形图测绘 2.1 地形图测绘 地形图是指按一定的比例尺，用规定的符号表示地物、地貌、平面位置和高程位置的正摄投影图。它以基本地理要素为制图对象，包含数学要素、自然地理要素、社会经济要素、注记和整饰要素等四个内容。包括：国家基本比例尺地形图，是国防建设、经济建设和科学研究中应用最为广泛的图种，比例尺系列为：1：1 000 000，1：500 000、1：250 000(1985 年以前为 l：200 000)，1：100 000，1：50 000，1：25 000，1：10 000，l：5000(1985 年以后)；工程建设规划设计所用的地形图，比例尺通常较大，有 l：5 000、1：2 000、1：1 000、1：500 及更大的比例尺。传统的成图方法野外工作量大，作业艰苦，作业程序复杂，同时还有繁琐的内业数据处理和绘图工作，成图周期长，难以适应社会飞速发展的需要。目前来说，倾斜摄影主要应用在于替代传统的地形图数据采集。我们应用一款软件DP-Modeler-mapper。它可以基于倾斜数据直接对房屋矢量、点状地物进行测量，包括对高程点进行提取，在测绘的过程中给地物赋予 CASS 的编码，成果直接输出到CASS 成图。传统数据采集 倾斜摄影数据采集 2.2DP-Modeler 矢量测图 相较传统的航测及野外测量工作，倾斜摄影技术正逐步的优化作业程序，缩减任务艰巨的外业调绘作业时间，提高基础测绘的现势性数据更新效率。目前，我们研发的软件DP-Modeler-Mapper 可以实现利 用倾斜摄影技术获取的影像数据进行高精度的大比例尺地形数据的矢量采集工作。无需佩戴立体眼镜，根据影像所见即所得的定位地物要素的三维信息，采集同时赋予要素的国标编码，矢量成果可导出多种数据格式并应用。如下图所示：DPMapper 技术构架 2.2.1 字典功能 DP-Modeler-Mapper 自带字典功能，实现对矢量内置编码的管理。方便快捷，字典内进行搜索，能快速找到所需编码号。并提供要素类型的导入、导出、增、删、改、查等，如下图：字典功能 2.2.2 点、线提取 提取二维矢量时，根据矢量类别，提供点要素和线要素的操作工具。如图所示。1）线状物提取 打开矢量测图图层管理器,在左边对话框选择或者搜索出对应的 Cass 编码；双击或者右键选择编辑，使该层处于编辑状态。2）点状物提取 以井盖为例：打开矢量测图图层管理器,在左边对话框选择或者搜索出对应的 Cass 编码；双击或者右键选择编辑，使该层处于编辑状态。如下图：2.2.3 等高线 提供自动绘制等高线工具，首先确定要绘制等高线的区域，然后利用该功能设定阈值，系统会自动检索并生成高程点（图 17）。可在 cass 直接生成等高线（图 18）2.2.4 屋檐纠正 传统作业方式的屋檐纠正需要通过外业调绘获得结果，而在 DP-Modeler 中矢量采集同时直接根据倾斜影像进行屋檐改正，大大减少外业的工作量，如下图所示。2.2.5 矢量导出 全要素矢量提取完毕之后，矢量测图图层管理器中，选择导出。有三种格式，第一种.dxf，不带属性输出，第二种.cas，带属性输出，线状物、点状物都可以用这个格式导出。第三种是.dat 格式，一般是等高线的高程点导出。将导出之后的文件在南方 Cass 里面打开，可以直接成图。第三部分 案例 案例 1 某地方三维自动化建模项目 采用中海达iFly D6 多旋翼无人机，搭载倾斜相机 iCamQ5,飞行 6条航带，拍摄 600 张不同角度像片，部分影像如下图所示：各角度影像 采用 DP-Smart 软件进行自动化建模。自动空三加密，恢复地物间的空间位置关系。空三加密 利用影像之间的三角关系构成三角 TIN，再由三角 TIN 构成白模。白模 对模型进行自动纹理贴图，生成真实感很强的三维模型。纹理映射 案例 1 配套软硬件 类别 型号 备注 旋翼无人机 iFly D6 倾斜相机 iCamQ5 后处理软件 DP-Smart 案例 2 酒泉精细化建模项目 1、基本概况 该项目作业覆盖面积为 50 平方公里，包含城区和郊区，其中城区占 24 平方公里、工业区占 26 平方公里，建筑结构复杂多异。2、作业方式及周期 利用航飞影像数据，使用 DP-Modeler 精细化建模软件集成倾斜摄影数据的方式，完成 50 平方公里精细化模型制作。时耗效率 0.4 方/人周。3、成果展示 案例 3 衡水测图 用途：农村宅基地 1:500测量 1.数据采集：无人机飞行高度 100 米，获取影像共 600 多张，覆盖面积 0.12 平方公里。2.原始数据处理、新建解决方案使用7 个控制点，13 个精度检测点。osgb 模型与影像匹配 3.从 OSGB 模型上获取点的坐标信息，作为用于影像上矢量采集的参考。osgb 模型与影像联动 参考影像与导入 OSGB 模型，采集建筑矢量数据。软件提供对矢量线段的各种编辑功能，包括移动、复制、吸附等进行数据采集。全要素提取矢量数据 输出成果，进入南方 CASS 最终成果图