超详细！一文了解无人机倾斜摄影建模全流程

金钢狼

随着数字测图技术的普及与GIS技术的不断发展，城市建设逐渐从“数字化”向“智慧化”升级。
在这个过程中，传统的二维地图数据已经无法满足当前的社会发展需求，携带GIS信息的三维实景模型以其三维直观的特点，成为城市建设的重要地理信息数据，是城市测绘的发展方向。

三维实景模型构建的主要方式有三维激光扫描和无人机倾斜摄影等，其中，三维激光扫描主要适用于小范围的精细化测量需求；而无人机倾斜摄影具有大范围、高精度、高清晰等测量特点，能够直观反映地物的外观、位置、高度等属性，有效提高测量效果和测绘精度，降低城市三维建模成本。

下面，我们一起来看下无人机倾斜摄影建模的具体流程。


一、无人机倾斜摄影测量原理

无人机倾斜摄影系统由无人机、高精度多角度测量相机、地面站组成。通过地面站可完成无人机航测飞行的航高、飞行速度等飞行参数的设置，同时可实时查看无人机的飞行状态。

无人机倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。
通过多镜头相机多角度采集信息，配合控制点或图像POS信息，图像上每个点都会有三维坐标信息，同时基于图像数据可对任意点线面进行量测，获取厘米级的测量精度并自动生成三维地理信息模型。


二、倾斜摄影建模流程

无人机倾斜摄影建模流程主要为：野外像控点布置、外业数据采集、内业数据处理以及三维模型构建。其中，外业数据采集要根据作业区域地貌特征，相控点布设和航拍路径规划。

1、外业数据采集包括三个部分
a.利用无人机进行航飞获取POS数据和原始影像数据；
b.对获取的影像数据进行质量检查，确保符合规范要求；
c.利用像控点和检查点对数据精度进行检查，为后期三维建模提供数据支持。


2、三维实景建模包含四个部分
a.对数据进行空中三角测量，获取影像的外方位元素。空三计算是倾斜摄影建模的核心步骤，包含影像特征点提取、 同名特征点匹配、影像外方位元素反算等步骤。
b.利用实景建模软件ContextCapture进行建模，包括多视影像密集匹配可获得高密度数字点云、构建TIN模型、自动纹理切片映射等；
c.对形成的三维实景模型进行修饰，如区域漏空、变形等，同时利用点位测量信息对模型进行质量检查；
d.模型修饰完毕和质量检查合格后，形成城市三维实景模型最终成果。


三、外业数据采集注意事项

在无人机执行任务前，要从任务目的、周边环境、无人机性能、气候条件等因素，设置航线相关参数，具体包括确定航高、设置重叠度、规划起降点等，从而确定最佳的、具体的飞行航线。

为了保障建筑物纹理信息采集精度，一般来说，城市内因地物较多，旁向重叠度为70% ，航向重叠度为77% ，山区因地物简单，主要是对地形进行建模，航向重叠度为77% ，旁向重叠度为47% 。


1、分辨率
垂直和倾斜影像的地面分辨率是倾斜摄影最为直观与重要的参数之一，也是直接决定后续三维建模质量的关键因素。倾斜影像自动空三时，为了保证量测点的精度，应尽量保证不同影像的分辨率一致。


2、天气
天气因素会影响图像质量，主要是风、雾霾，雨雪，当风速过大时，应该考虑停止飞行。

3、像控点
像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，野外像控点目标选择的好坏和指示点位的准确程度，直接影响成果的精度。想要达到预期的成相效果，像控点布设的好坏起着相当关键的作用。


四、三维实景建模具体流程

三维实景建模一般需要采用自动化建模软件ContextCapture，它是一款可由简单的照片和/或点云自动生成详细三维实景模型的软件，可帮助您自动生成任意大小、任意精度的多分辨率三维模型。

只需将无人机外业收集到的图像数据、POS数据、相机参数、像控点坐标等导入软件中即可进行实景三维模型重建。
倾斜影像空中三角测量是实景三维模型构建的关键步骤。因多视角影像平差需要考虑影像的几何变形及相互间的遮挡关系，传统的空三软件无法处理，倾斜摄影空三平差处理最重要是如何将垂直下视影像和倾斜影像进行混合平差。
ContextCapture的三维重建功能，能够实现实景三维模型的全自动计算。软件的三维重建算法会自动匹配每个格网面片的影像纹理，确保各个三维格网模型顶点放置在最佳位置，从而以更少的瑕疵表现更精细的细节和更锐利的边缘，大幅提高几何精度。

1、建模过程中，可能存在的问题
在进行空三计算时，由于数据量大、影像重叠率低或者影像质量差的情况下，会导致空三计算失败。在这种情况下，可将计算失败的空三成果以XML的格式导出，提取其中的影像姿态数据对原始的POS数据进行封信，然后重新导入进行计算。另外，也可加入连接点和控制点重新进行空三计算。
另一方面，由于多相位拍摄过程中的遮挡，以及植被、水 面等均质地物缺乏明显的特征点而造成同名影像匹配较少，从而导致数字表明模型精度低以及切片纹理缺失和错位。这种情况在三维模型成果中的具体表现为：部分树木及建筑边缘变形、建筑侧面纹理不清晰、地形变形等。

针对这些问题，可使用ContextCapture的模型修正功能进行修正，并导入对应的瓦片重新生成贴图。同时，也可以使用第三方建模软件进行修正处理，如3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh等。


2、ContextCapture系统架构
ContextCapture系统架构包含两大模块：主控台（Master）和引擎端（Engine），遵循主从模式（Master-Worker）。ContextCapture主控台是 ContextCapture的主要模块。用户通过图形用户接口，向软件定义输入数据，设置处理过程、提交过程任务、监控任务的处理过程与处理结果可视化等。主控台不执行处理过程，而是将任务分解为基础作业并其提交给作业队列。
引擎端Engine是 ContextCapture 的工作模块。它在计算机后台运行，无需与用户交互。当引擎端空闲时，一个等待队列中的作业的执行，主要取决于它的优先级与提交的数据。由于采用了主从模式，ContextCapture 支持网格并行计算。只需在多台计算机上运行多个 ContextCapture 引擎端 ，并将它们关联到同一个作业队列上，就会大幅降低处理时间。
ContextCapture 除了 Master、Engine 外， 还 包 含 Setting、 Viewer 等工具模块。Master 负责创建和管理任务，监视任务的进度等；Setting 主要是帮助 Engine 指向任务的路径；Engine 负责对所指向的作业队列中的任务进行处理；Viewer则可预览生成的三维场景和模型，可以观察控制主控台工作流的生产质量， 利用它对最终生产的模型成果进行浏览。




3、ContextCapture软件功能
➤ 集成地理参考数据
ContextCapture 可为包括 GPS 标记和控制点在内的多种类型的定位数据提供本地支持。它还可以通过定位/旋转导入或完整块导入来导入任何其他定位数据。这使您能够精确测量坐标、距离、面积和体积。


➤ 自动空中三角测量和三维重建
一旦自动识别每张相片的相对位置和方向，您就可以通过添加控制点和编辑连接点来对空中三角测量结果进行微调，以最大限度提升几何和地理空间精度。优化的三维重建算法以无可匹敌的精度生成精准的三维模型以及每个格网面片的影像纹理。

➤ 生成二维和三维 GIS 模型
借助 ContextCapture，可以生成各种 GIS 格式的精确地理参考三维模型，包括真正射影像和新的 Cesium 3D Tiles，并将瓦片范围和空三成果导出为 KML 和 XML。

➤ 处理实景模型
ContextCapture 可以快速轻松地处理任何比例的格网模型，以及横断面的生成、地形和断裂线的提取，及正射影像、三维 PDF 和 iModel 的生成。

➤ 处理点云
可以对点云进行增强、分割、分类，并与工程模型相结合。然后，您可以利用 ContextCapture 的高级三维建模、横截面切割、断裂线和地形提取功能，快速高效地对竣工条件进行建模并支持设计流程。


➤ 生成和处理大型可缩放地形模型
您可以从多种来源中生成非常庞大的可缩放地形模型，包括点云、断裂线、光栅数字高程模型和现有三角形化不规则网络。通过与原始数据源同步，可缩放地形模型可实时更新到最新。


➤ 生成三维 CAD 模型
基于各种 CAD 格式、三维通用格式、DSM 和密集三维点云生成三维模型，确保模型在建模环境中是可访问的。

软件详情：ContextCapture 三维实景建模软件 | 为数字孪生打造 4D 数字化环境

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