基于傾斜攝影技術(shù)的無人機三維建模研究

基于傾斜攝影技術(shù)的無人機三維建模研究

1傾斜圖像三維建模技術(shù)存在的問題傾斜成像技術(shù)是近年來國際測量和遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的一項高科技技術(shù)。在同一航空操作平臺上加載多個傳感器，并從不同角度收集圖像。因此,傾斜攝影可以實現(xiàn)建筑物的正射影像與其立面紋理的傾斜影像相結(jié)合,利用相應(yīng)建模工具,可進行自動化紋理映射與自動三角網(wǎng)構(gòu)建,在快速三維建模、高精度三維建模上具有廣闊的應(yīng)用前景,能夠有效地降低城市三維建模成本。利用傾斜攝影技術(shù)實現(xiàn)三維建模在地質(zhì)災(zāi)害防治、震后三維可視化表達上,比傳統(tǒng)建模具有更加快速、逼真的優(yōu)勢。傾斜攝影三維建模技術(shù)雖然有以上諸多優(yōu)勢,但其還是一項較新的技術(shù),在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中或多或少會存在一定問題。航空攝影階段,由于存在航攝死角,會導(dǎo)致在生成模型時存在空洞;空三階段,因像片及pos參數(shù)的質(zhì)量問題,會出現(xiàn)自動匹配錯誤以及點位不足等情況,導(dǎo)致建模后存在空洞。因此,針對傾斜攝影生成的三維模型,需要進行如空洞修補等優(yōu)化處理,才能滿足精細化三維建模的需求。2區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像和三維tin的建立過程本文研究的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)獲取是基于LeicaRCD30傾斜攝影平臺,依托StreetFactory系統(tǒng),通過航飛、基站架設(shè)、影像預(yù)處理、外業(yè)控制、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、三維TIN制作、質(zhì)量檢查等流程完成的。生成的三維模型以不規(guī)則三角網(wǎng)為表達方式,自動搜索對應(yīng)視角相片對相應(yīng)表面模型進行紋理貼面,形成具備真實自然紋理的三維TIN結(jié)構(gòu)模型。在生成三角網(wǎng)的過程中,為了三維GIS平臺能夠流暢地瀏覽,在制作三維模型時,首先設(shè)定格網(wǎng)大小,生成的三維模型按照格網(wǎng)大小進行裁切。同時,對每一個分塊模型建立分級數(shù)據(jù),第0級數(shù)據(jù)為最精細數(shù)據(jù),級別越大,精細程度越低,因此,一個區(qū)域的三維模型由很多分塊分級數(shù)據(jù)組成。3維模型缺陷的三角網(wǎng)缺陷三維模型空洞修補主要研究水面區(qū)域出現(xiàn)的空洞,由于水面為平面,可以利用獲取的邊界通過構(gòu)建三角網(wǎng)來進行自動修補;對于因航攝死角而在建筑等區(qū)域出現(xiàn)的空洞,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要考慮建筑物的局部特征,無法直接構(gòu)建三角網(wǎng)進行修補;另一方面,三維模型出現(xiàn)的空洞絕大部分均是在水面區(qū)域,因此,本文研究空洞自動修補主要是針對水面區(qū)域出現(xiàn)的空洞。研究表明,在所有可能的三角網(wǎng)中,Delaunay三角網(wǎng)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色,因此常常被用于不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)的生成,本文重構(gòu)的三角網(wǎng)為Delaunay三角網(wǎng)。三維模型空洞修補通過空洞區(qū)優(yōu)化及提取、邊界提取、三角網(wǎng)重構(gòu)、紋理映射及分級數(shù)據(jù)構(gòu)建幾個步驟實現(xiàn),具體實現(xiàn)流程如圖1所示。3.1模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入在對河流或湖泊等水平面區(qū)域進行影像匹配時,受倒影等的干擾,生成的三角網(wǎng)節(jié)點會出現(xiàn)高程異常,造成水面不平,根據(jù)實際情況判斷,這些高程起伏地帶不屬于河中島等正常情況,因此,需要對這種錯誤的高程異常點進行剔除。對高程異常點進行剔除時,直接通過多邊形等選擇方式選擇異常高程點,將其刪除即可。通過高程異常點剔除后,繪制一個導(dǎo)出范圍,該范圍首先要完全包含空洞區(qū),其次還需要包含空洞區(qū)周邊的部分三角網(wǎng),繪制完成后,將該范圍內(nèi)的第0級模型導(dǎo)出為obj格式。通常情況下,一個空洞區(qū)域會跨越多個分塊數(shù)據(jù),在導(dǎo)出模型時,需要將該范圍內(nèi)的多個分塊模型數(shù)據(jù)合并為一個模型。如果空洞范圍太大,一個空洞區(qū)導(dǎo)出一個模型會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量太大而無法導(dǎo)出,如圖2中顯示的河流空洞區(qū)域,通常導(dǎo)出為多個模型,然后對每一個模型進行空洞修補。在導(dǎo)出為多個模型時,每一個模型的邊界并未封閉,需要對空洞邊界進行封閉,并且封閉后的模型還是由三角網(wǎng)構(gòu)成,圖3中顯示的模型為對大范圍空洞分塊導(dǎo)出并進行邊界封閉后的模型。3.2提取邊界時的三角網(wǎng)導(dǎo)出的空洞區(qū)域三維模型由三角網(wǎng)組成,三角網(wǎng)包含三角形、邊、頂點,位于邊界的邊有且只有一個鄰接三角形。在提取邊界時,以邊對應(yīng)的三角形個數(shù)進行判斷,如果該邊對應(yīng)的鄰接三角形個數(shù)為1,則表示該邊為邊界;如果大于1,則表示該邊不是邊界,導(dǎo)出的三角網(wǎng)模型并不存在拓撲關(guān)系。因此,首先對三角網(wǎng)構(gòu)建邊與三角形的拓撲關(guān)系,然后根據(jù)建立的拓撲關(guān)系自動提取邊界對應(yīng)的邊,最后將提取的結(jié)果依次連接為邊界。3.2.1角形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由節(jié)點、邊、三角形三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成,三角形采用面拓撲結(jié)構(gòu)。其中節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來存儲三角形的頂點和編號,邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來存儲邊的編號、兩個節(jié)點編號以及鄰接的三角形個數(shù),三角形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來存儲三角形編號、三個節(jié)點編號以及三條邊的編號。三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容如表1所示。在構(gòu)建拓撲關(guān)系前,首先建立節(jié)點列表、邊列表、三角形列表用以存儲三角網(wǎng)的節(jié)點、邊、三角形。3.2.2兩個節(jié)點相同、兩邊相同的拓撲關(guān)系利用導(dǎo)出的三維模型能直接獲取到三角網(wǎng)的三角形。因此,遍歷每一個三角形構(gòu)建節(jié)點、邊、三角形之間的拓撲關(guān)系,如果兩個節(jié)點的x、y、z坐標均相同,則表示兩個節(jié)點相同;如果兩條邊對應(yīng)的兩個節(jié)點編號均相同,則表示兩條邊相同;如果兩個三角形對應(yīng)的三個節(jié)點編號均相同,則表示兩個三角形相同。在構(gòu)建拓撲關(guān)系時,需要判斷對應(yīng)的節(jié)點、邊、三角形在對應(yīng)的存儲列表中是否已存在。通過將節(jié)點、邊、三角形與相應(yīng)的存儲列表中的每一個要素進行比較,如果找到相同節(jié)點、邊、三角形,則表示存在,否則表示不存在。三角網(wǎng)拓撲關(guān)系的構(gòu)建步驟如下:(1)三角形檢測獲取三角網(wǎng)中的一個三角形,并得到其三個節(jié)點的坐標信息。(2)生成節(jié)點號碼通過x、y、z坐標與節(jié)點列表中的每個節(jié)點進行比較,如果已存在該節(jié)點,則獲取節(jié)點編號,如果不存在節(jié)點,則創(chuàng)建新節(jié)點,并自動編號,同時添加新節(jié)點到節(jié)點列表中,返回節(jié)點編號。這樣,每添加一個三角形的三個節(jié)點,則獲取了三個節(jié)點編號。(3)角形的添加根據(jù)三個節(jié)點編號構(gòu)建一個三角形,將該三角形與三角形列表中的每一個三角形進行比較,如果該三角形已存在,則遍歷下一個三角形,否則將該三角形添加到三角形列表中,并返回三角形編號。(4)鄰接三角形個數(shù)根據(jù)三角形的任意兩個節(jié)點構(gòu)建一條邊,將該邊與邊列表中的每一條邊進行比較,如果該邊不存在,則將該邊添加到邊列表中,并返回邊編號,如果該邊已存在,則直接返回該邊的編號;將該邊的鄰接三角形個數(shù)加1。對三角形的三條邊做同樣處理,就建立了邊與三角形的對應(yīng)關(guān)系。遍歷完三角網(wǎng)對應(yīng)的所有三角形,則建立了節(jié)點、邊、三角形的拓撲關(guān)系,根據(jù)構(gòu)建完成的拓撲關(guān)系,可以方便獲取邊對應(yīng)的鄰接三角形個數(shù)及節(jié)點編號,并根據(jù)節(jié)點編號獲取節(jié)點坐標等信息。3.2.3封閉邊界的生成邊界提取是依據(jù)建立的三角網(wǎng)拓撲關(guān)系,首先獲取邊界邊,然后將這些邊界邊依次連接形成封閉邊界。在提取邊界邊之前,首先建立邊界邊列表用于存儲邊界邊。(1)角形個數(shù)依次獲取構(gòu)建拓撲后的邊列表,獲取鄰接三角形個數(shù),如果鄰接三角形個數(shù)大于1,則表示該邊不是邊界邊,否則該邊為邊界邊,將該邊的邊編號添加到邊界邊列表中。(2)“已遍歷”的狀以邊界邊列表中的任意一條邊為起始邊,將該邊標識為“已遍歷”,然后從邊界邊列表中查找與該邊相連并且未遍歷過的邊,將查找到的相鄰邊與該邊連接(如果查找到多條相鄰邊,則將任意一條邊與該邊連接即可),然后將相鄰邊標識為“已遍歷”,以該相鄰邊為起始邊繼續(xù)查找,直到遍歷完所有相鄰邊,就形成了一條邊界。遍歷完成邊界邊列表中的所有邊后,即形成了該模型的邊界數(shù)據(jù),一個模型可能有很多條邊界,通過選擇邊界進行處理。3.3三角網(wǎng)重建3.3.1三角網(wǎng)的構(gòu)建以邊界的節(jié)點作為三角網(wǎng)構(gòu)建的點數(shù)據(jù),將邊界作為約束條件構(gòu)建基于邊界約束的Dealuany三角網(wǎng)。3.3.2dealuny三角網(wǎng)基于邊界構(gòu)建的Dealuany三角網(wǎng)的三角形較大且稀疏,不利于紋理映射,而且與已有的模型不協(xié)調(diào)(如圖4所示)。為了解決這一問題,需要在已有邊界內(nèi)添加一些用于加密三角網(wǎng)的點數(shù)據(jù),然后重新構(gòu)建Dealuany三角網(wǎng)。在添加加密點之前,首先建立一加密點列表用于存儲加密點坐標。(1)獲取邊界在XY平面上的坐標范圍,其中X方向上的范圍為(Xmin,Xmax),Y方向上的坐標范圍為(Ymin,Ymax)。(2)設(shè)定格網(wǎng)間距d,根據(jù)XY平面上的坐標范圍,生成一個m行n列的二維格網(wǎng),其中:(3)對于第i行j列的格網(wǎng)P(i,j)(0≤i<m,0≤j<n),獲取其坐標范圍,在該坐標范圍內(nèi),隨機生成一個坐標點,如果該點在邊界范圍內(nèi),將該點加入到加密點列表中,其高程值通過上述已構(gòu)建的三角網(wǎng)獲取;如果該點不在邊界范圍內(nèi),則處理下一格網(wǎng)。3.3.3luany三角網(wǎng)以邊界點和加密點作為構(gòu)建三角網(wǎng)的點數(shù)據(jù),并將邊界作為約束條件構(gòu)建基于邊界約束的Dealuany三角網(wǎng),然后再利用邊界對構(gòu)建的三角網(wǎng)進行裁切處理,保持構(gòu)建的三角網(wǎng)范圍與邊界范圍一致,形成最終的三角網(wǎng),如圖5中所示。通過圖5與圖4的對比可以看出,基于加密點和邊界點構(gòu)建的三角網(wǎng)更加密集,與原始模型也更協(xié)調(diào),而且紋理映射的效果會更好。3.4lod分級模型空洞區(qū)三角網(wǎng)構(gòu)建完成后,將基于邊界和加密點構(gòu)建的空洞區(qū)三角網(wǎng)模型與導(dǎo)出的原始模型進行合并,形成空洞修補后的成果模型。這時候的模型是沒有紋理信息和LOD分級信息的,通過StreetFactory提供的相關(guān)模塊,基于已有的傾斜影像,對模型進行紋理映射,并生成LOD分級模型數(shù)據(jù),如圖6所示。從圖6中可以看出,通過紋理映射后的空洞模型與原始模型能夠完全疊加,分級數(shù)據(jù)之間沒有縫隙,