无人机航拍 UAV Aerial Photography

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倾斜摄影 Oblique Photography

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航空测绘 Aerial Mapping

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实景三维建模 Real 3D Modeling

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无人机摄影技术,构建三维城市模型

无人机摄影技术,构建三维城市模型

2020-09-15 13:56

无人机摄影技术,构建三维城市模型

摘要: 倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域一项新兴技术,融合了传统的航空摄影和近景测量技术,颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直...

随着城市建设的高速发展,市政道路建设环境日益恶化,尤其是地面建筑物错综复杂,若采用传统二维设计手段,工作量大、效率低、成本高,难以满足复杂市政道路工程设计要求。针对上述问题,本文提出了利用倾斜摄影测量技术进行实景三维建模的方法。相对于传统的正射影像及建模,倾斜摄影测量技术具有可量测性、真实性、高精度等优势。

在深圳梅观市政道路改造项目中,通过应用倾斜摄影测量技术,大幅提升了实景模型的平面和高程精度,可有效提高市政道路的设计质量,优化工程建设投资造价,保护生态环境。

借鉴摄影原理 掌握关键要素

利用倾斜摄影技术快速构建目标区域三维空间场景,对市政道路沿线建造条件进行快速调查,合理避让大型立交、重要建筑物、环境保护区、丛林密集区,以及险恶地形与恶劣地质区,使线路设计安全可靠,经济合理,减少线路工程建设对地方经济发展的影响。

1.倾斜摄影技术工作原理

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域一项新兴技术,融合了传统的航空摄影和近景测量技术,颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限,通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从垂直、前视、左视、右视、后视5个不同角度采集影像。其中,垂直摄影影像,可经过传统航空摄影测量技术处理,制作4D产品;前视、左视、右视与后视4个倾斜摄影影像,倾斜角度在15~45°之间,可用于获取地物侧面丰富的纹理信息。

通过高效自动化的三维建模技术,快速构建具有准确地物地理位置信息的真三维空间场景,直观地掌握目标区域内地形地貌与所有建筑物的细节特征,可为道路、桥梁工程建设,环境保护等提供现势、详尽、精确、逼真的空间基础地理信息数据支持和公共服务。倾斜摄影技术具有高分辨率、获取丰富的地物纹理信息、高效自动化的三维模型生产、逼真的三维空间场景等优势特征。

2.实景三维建模技术流程

利用无人机拍摄数张高清晰度实景照片,采取地物的垂直与倾斜影像以及少量的地面控制点,构建基于真实影像纹理的高分辨率真三维模型。

3.空三加密

空三加密会对5个视角的影像进行大量特征点计算提取,并将获取的特征点采用多视角匹配同名点,反向解算出每张影像的空间位置及姿态角度,从而确定影像之间的关系。空三加密质量差时,必须重新进行空三加密,多次加密未成功可删除一些质量较差、姿态较差的影像后再处理。

4.加入控制点

控制点可在空三加密前加入,选择空三加密后加入控制点是因为这种方式可以节省处理时间,通过空三加密得到的航带信息可更快地找到控制点在哪些影像上,从而减少控制点的时间。

5.模型重建

利用空三加密计算出的三角网TIN,生成三维模型的白模,然后通过三维模型形状位置,从影像里面选择最合理纹理进行贴合工作,从而得到实景三维模型。因倾斜摄影过程中,存在反光、遮挡、移动物体等因素,造成三角网构建过程中存在模型上的空洞、扭曲、碎片等情况。

6.模型修饰

三维模型修饰主要包括几何修饰和纹理修饰,采用修饰软件修改实景模型专业软件,实现模型的几何修饰。

① 地面修饰在对地面区域进行影像匹配时,受到发射、倒影等情况干扰,造成生成模型存在高程异常,地面凹陷情况。地面修饰前需对异常地面圈定并删除,通过判断TIle轮廓的完整性,确定是否需要绘制面来将轮廓补充完整,然后进行桥接、补洞、纹理映射一系列操作,不同TIle之间需要将地面拟合到同一平面。当纹理存在不符合的情况,可将当前视角的纹理外接相关软件进行修饰。

② 路面修饰 鉴于路面车辆、行人较多,且均为运动状态,在进行影像匹配时常出现异常,容易造成车辆变形、路面凹凸不平的情况,若不采取修饰,后期模型会出现运动状态下的物体发生不真实、异常等情况,需对此类情况进行部分路面修饰。路面修饰通过对异常范围选中并拟合到同一平面,并且对不符合的纹理部分外接相关软件进行修饰。

本文倾斜摄影技术进行三维建模后,采用Context Capture处理软件创建实景模型。

创新——为设计提供数据支撑

深圳梅观高速公路清湖南段市政道路工程位于深圳市中部综合组团,为高速公路市政化改造项目,是国内第一条在运营期内通过政府回购方式取消收费的高速公路,路线全长约8.5km。项目采用无人机倾斜摄影测量技术,通过在沿线布设58个高精度相控点,构建三维实景模型。

实景模型创建

项目采用无人机摄影技术,采集上万张高清晰影像。

倾斜摄影测量技术生成的实景模型为地理坐标下的经纬度和高程,而项目采用的是当地的项目坐标及高程,存在坐标转换及误差。为此依据国家控制点,本项目在沿线选取布设58个高精度相控点,通过高精度相控点对实景模型进行修正处理和当地的项目坐标及高程转换,有效提高了实景模型精度,同时实现了实景模型与设计采用的坐标及高程的统一性。

利用无人机摄影技术拍摄照片及高精度相控点,生成点云模型,三角网TIN模型,渲染后生成实景模型。

无人机摄影技术,构建三维城市模型

实景模型应用及创新点

梅观高速公路市政道路改造项目三维实景模型主要应用于以下几个方面。

1.获取任意处的坐标

实景模型建立后,无须工作人员现场采集所需处坐标,可通过实景模型导入三维设计软件获取任意处的坐标,有利于构建设计方案前的快速查询工作。

2.准确确定路廊内建筑物高度、区域面积、土方量

对于已有公路、已建输电线路、建筑物等沿线重要交叉跨越,在真三维模型上可准确量测被跨越物的坐标、距离与高度信息,合理优化线路跨越位置,有利于立交和天桥的施工。对于市政道路改造项目可在真三维模型上直观地圈定改造区域,并准确量测出距离、面积以及土方量。通过相应方案的数据分析,路线优化设计,有效控制填挖方量,降低市政道路改造投资。

3.基于实景模型建筑物信息模型及拆迁可视化

实景模型中建筑物可通过添加属性信息的方式,将属性信息与建筑物进行关联,在真三维模型上进行精细化判读与室内量测,对路廊内建筑物层数与实际面积进行快速统计,从而有效估算市政道路改造工程建设所必需的房屋拆迁量,使工程赔偿造价准确合理,降低施工民事难度。

4.基于实景模型的环境保护

梅观高速公路改造项目过程中涉及有民治水库。该水库兼备防洪和供水功能,为区域重要的应急备用水源水库。为合理保护水资源生态环境,并考虑道路距离水库保护距离,设计基于实景模型改造道路,确保准确、直观的优势。

5.实景模型与设计模型集成

利用Open Road Designer技术确定项目的道路、桥梁、管廊、景观绿化和用地范围项目的设计集成模型和模型范围,扣除设计集成模型范围内的原始实景模型,将设计集成模型与扣除后的实景模型最终进行集成,可直观、真实反映项目的合理性及项目建成后情况。

鉴于传统二维设计手段已难以满足要求,梅观市政道路改造项目创新设计手段和方式,采用无人机倾斜摄影测量技术,通过在沿线布设58个高精度相控点,大幅提升了实景模型的平面和高程精度。并应用Context Capture软件构建项目区域地面实景模型,该模型具备精度高、现实感强、可量测的特点,直观反映地物的外观、位置、高度等属性。提出了通过高精度相控点提高实景模型精度,以及基于实景模型的建筑物信息模型及拆迁可视化、环境保护、实景模型与设计模型集成等创新点。进而为设计提供有力数据支撑,有效补充项目的外业数据,提升项目的内业质量。

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