倾斜摄影三维模型研究论文

声明：内容来源于一个老领导的分享交流，聆听之后略作整理以表敬意，整理过程当中遗漏不足之处在所难免，文中所述不代表任何观点。 倾斜摄影技术优势或者说最吸引用户的，就是利用倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。》题目中“无人机倾斜摄影三维建模和应用”有四重含义：一是无人机，二是倾斜摄影，三是三维建模，四是三维模型应用。 》上述四个方面是倾斜摄影技术体系中最重要的内容，需要对每个方面都进行必要的研究，才能更好地推动倾斜摄影技术的进步和应用推广。 》倾斜摄影三维模型的质量主要取决于两个因素：一是影像质量（影像地面分辨率和影像清晰度），二是照片数量（对同一区域的照片覆盖度）。 》从实际建模效果来看，要想获得完整清晰、可供高精度量测的三维模型，建筑区倾斜影像的分辨率要达到2～3厘米、一般地区要达到5～6厘米，照片的平均覆盖度要达到30度重叠以上。（注：这里可能只是项目当中的一些感悟总结，具体精度视项目需求而定） 》因此，多旋翼无人机是进行建筑区倾斜摄影的首选，一般地区的倾斜摄影则可选择小型电动垂直起降固定翼无人机。 》先后调研、参与研制和使用了多款多旋翼无人机。四旋翼无人机因载荷指标不够，可靠性极差，不满足应用需求；六旋翼无人机在高频次飞行作业时，经常出现非人为因素的故障，导致坠机或损坏，可靠性不 够；八旋翼无人机有一定的动力冗余和飞行可靠性，可以提高作业的安全性和持续性，推荐使用。 》八旋翼无人机的起飞重量应小于7公斤，作业续航时间20分钟，使用远景双镜头摆动式倾斜摄影相机，每架次飞行可获取有效面积平方公里2厘米分辨率的照片约900张。 （注：飞机的选择和使用没有绝对，更多的是根据具体地理环境选择合适的工具而已） 》倾斜摄影飞行对固定翼无人机的基本要求是低空飞行、低速巡航、转弯半径小、操作便利、就近起降等。 》使用油动固定翼无人机进行常规航空摄影，虽然飞行效率和性能都不错，但使用和保养要求高，价格也居高不下。 》近两年市场上推出的电动/混合动力垂直起降固定翼无人机，无论是易用程度、单机价格、技术性能等方面，都有了较大的改进，使倾斜摄影技术可以在较大面积的三维建模方面发挥作用，有效地提高了倾斜摄影飞 行的作业效率。 》考虑到操作便利、维修简便、方便运输、单机价格等综合因素，推荐使用电动垂直起降固定翼无人机来进行一般地区的倾斜摄影飞行。 》电动垂直起降固定翼无人机的有效载荷1～2公斤，续航时间60～90分钟，相对飞行高度300米左右，影像地面分辨率5厘米。（视具体机型而定）》固定式五镜头倾斜摄影相机是目前在无人机倾斜摄影中普遍使用的设备之一，它延续的是原来用在有人驾驶飞机上使用的传统的五相机结构。 》但对为什么一定要同时用五台相机进行倾斜摄影的原理和技术却鲜有研究，只能说“别人都是这么做的，一定有他的道理，我照着干就是了”。 》为了探究倾斜摄影三维建模对照片方位和数量的要求，我们分别采用1台和2台相机，对同一区域采用多次飞行、交叉飞行的方法，模拟五镜头相机的方式，分别获取下视、前视、后视、左视、右视的影像，并以不 同组合分别进行了三维建模试验 》用不同数量相机模拟五相机结构进行倾斜摄影试验的主要结论如下： 1）建模效果与相机数量无关，但与照片数量和相邻航线飞行的间隔时间相关； 2）下视相机不是必须的，因为真正射影像是由三维模型的正投影生成。下视相机的作用与其它方位相机的作用相似； 3）倾斜相机的角度在20～30度之间较为合适。45度倾斜角安置的相机的照片边缘的分别率过低； 4）采用双相机、三相位摆动结构的倾斜摄影系统综合性价比最优。 》双镜头摆动式倾斜摄影系统仅用两台相机就达到了固定式五镜头相机的效果，系统结构简单、成本低、重量轻、维修使用方便，是多旋翼无人机倾斜摄影的首选。 》航天远景公司的超轻型双镜头二维摆动式倾斜摄影系统，由2个微单相机和1个二维摆动式云台构成，总重量公斤。 》相机感光传感器的尺寸不应小于APS-C，像素数量大于2400万。 》如使用多旋翼无人机和双镜头摆动式倾斜摄影系统进行建筑区2厘米分辨率的倾斜摄影，航线设计的基本要求是： 1）航摄分区尽量为矩形，航线沿矩形区域长边方向敷设，实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高； 2）航线数量为双数且不少于6条，单航线最大长度按多旋翼无人机有效续航里程的40%计算； 3）相对航高平均按100米设计，当航摄分区内有超过30米的建筑物时，最小相对航高应按100米加上建筑物高度计算； 4）航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于40%。（注：视相机参数和具体环境而定） 》如使用双相机和固定翼无人机对普通地区进行5厘米分辨率的倾斜摄影，航线设计的基本要求是： 1）航摄分区尽量为矩形，沿矩形区域长边方向和短边方向分别敷设航线，呈格网状（按十字交叉飞行），实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高； 2）航线数量应为双数且不少于6条，单航线最大长度按无人机有效续航里程的40%设计，最大长度不超过5500米； 3）相对航高平均按300米设计，最小相对航高应高于摄区内容其他构筑物100米以上； 4）航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于40%。（注：视相机参数和具体环境而定） 》每个航摄分区应统一进行航线设计，用在同一航线设计文件中删除多余航线的方法确定每架次的飞行参数文件。 》外出作业至少应配备10组电池，或配置便携式发电机现场充电，以提高作业效率。 》无人机起降场地应尽量靠近摄区，以减少无效飞行距离。 》作业小组123配置：1辆SUV汽车，2架多旋翼无人机，3名成员（地勤、飞手、助理）。》倾斜摄影三维模型的建模精度与影像分辨率直接相关，一般为1:3左右。 》倾斜摄影三维模型的平面量测精度和相对高程量测精度基本一致。 》如果影像分辨率为2厘米，则三维模型的建模精度一般为5～10厘米，相应的量测精度也达到10厘米以内，与外业实测点的精度相当，远高于1:500地形图的精度。 》如果影像分辨率为5厘米，则三维模型的建模精度一般为15～20厘米，相应的量测精度也达到20厘米以内，高于1:1000地形图的精度。》无人机和各类小型倾斜摄影系统的涌现，使得倾斜影像数据的获取变得非常便捷。数据获取的瓶颈已经破解，成本也将逐步降低。。 》计算机集群、GPU、倾斜影像三维建模软件技术的进步，使得三维建模的效率将大幅提升。 》仅就目前情况来看，倾斜摄影三维建模工作所涉及的无人机、倾斜摄影系统、计算机集群、三维建模软件等，已可以满足批量化倾斜影像获取和三维建模处理工作的要求，基本具备了工程化和规模化的条件。 》倾斜摄影技术及其无人机作业方法日渐成形，使得对现实世界的全要素三维重建变得高效可行。 》倾斜摄影目前在测绘领域的主要用途是快速建立精细的地表三维模型，可以替代传统的手工建模和“倾斜影像+激光扫描”的建模方法。 》不宜将倾斜摄影技术与传统摄影测量技术进行简单对比，特别是不要就技术的优劣进行争论，因为两者是从不同的方向、以不同的方式、为不同的用途在做研究，仅仅是在目标三维模型的重建这一成果点上有些重合而已 》倾斜摄影技术与摄影测量技术是“两股道上跑的车，走的不是一条路” 》倾斜摄影技术与摄影测量技术可以看成是在两条路上跑的车队，只是现在恰好在某处立交桥碰上了，但其实两者的目的地是不同的，使用的车辆也是不同的。 》不需要人工观测，就能得到精细的三维模型和测量结果，这才是倾斜摄影技术“最致命”的优点。而这一点正是摄影测量几十年来苦苦追求的目标。 》倾斜摄影所构建的三维模型，可以替代航空摄影测量中的人工观测，实现更高精度、更快速度的自动建模和智能测图。 》伴随着这些变革，必然会对现有的技术、产品、市场、用户、应用、商业模式等带来冲击和变化。 》不要以传统摄影测量方法和标准来衡量倾斜摄影技术和成果，唯一可行的方法应该是用成果进行对比和检测。 》倾斜摄影技术的发展和推广，不仅仅使得空间信息从二维延伸到三维，更重要的是会给测绘领域带来变革，也必将催生行业应用的变革。 》倾斜摄影所构建的三维模型及三维空间信息服务平台将成为行业应用的基础空间信息支撑。 》倾斜摄影三维建模将是今后一种普遍采用的三维建模和测绘方法，是测绘领域里的颠覆式创新模式。 》无人机倾斜摄影技术的快速发展，使“全民测绘，按需测绘，动态测绘”成为可能。 》不宜过分强调和追求无人机平台的可靠性，重要的是要考虑无人机及倾斜摄影系统作为数据采集工具的性价比，应该使用简单、维修便捷、易于携带、价格便宜。 》事实上，只要是无人机，迟早都会掉下来。如果“炸鸡”的代价是一辆奔驰车，无论是单位还是飞手，都不愿意承担这样的损失。 》我们希望符合规模化作业要求的“无人机+倾斜摄影系统”的市场价格在10万元以内。希望无人机厂商和倾斜摄影系统厂商能在结构、工艺、零配件、成本等方面有所突破。 》传统摄影测量与倾斜摄影技术是一个二维与三维博弈、最终三维将胜出的博弈过程。目前倾斜摄影还停留在推广阶段，主要是受限于当下的应用点以及行业规范。 》倾斜摄影技术和成果并不完善，还在不断试验和演进中，传统的工作流程和产品交付标准，也不是一年两年能改变的，这需要一个过程。 》对用户而言，使用倾斜摄影技术，不要指望他能给节省费用，反而可能需要额外的投入。你做了是顺应时代发展的步伐，花点学习成本，后面就有基础了；你不做也没关系，总是有人要落伍的，也总是有企业要落 伍的。 》数据、平台、服务是未来地理信息行业的三大主要内容，其趋势是数据生产的集约化和应用服务的集成化。 》数据内容将从二维平面扩展到“地上-地下，室内-室外”一体化的三维空间，并增加时间维度。 》谁掌握三维全要素数据，谁就占据三维行业制高点。 》具有精细化、可量测、真实感、高精度、对象化、更新快、定制化的三维地理信息，将成为行业应用和公众服务的基础支撑。 》在大数据时代、智慧城市的时代，全息三维将是地理信息产业服务于智慧城市、大数据时代的有力武器。 》就倾斜摄影技术应用而言，大家都是新手，无知者无畏，高低之差主要在思路、实践和经验。 》在倾斜摄影技术方面，专家比我们多的是背景知识，高手比我们能的是实际经验，而做出成果才是王道。 》倾斜摄影只是一种摄影方法，重要的是计算机视觉技术利用足够数量和有足够重叠度的倾斜影像实现了三维重建，因而就形成了倾斜摄影技术或倾斜摄影测量技术。 》就用户而言，关注点应放在已经得到的三维模型上，而不必过多关心其背后的获取设备和技术细节。 》没有国产工程化的倾斜影像三维建模集群处理软件。 》缺少国产的对OSGB等三维数据直接进行批量化生产编辑的软件（国外也没有）。 》缺少对三维数据智能进行批量对象化处理的软件工具。 》海量倾斜影像三维模型的存储、管理、发布、应用等存在不少技术难点。 》多数用户的应用系统还不能很好地接受和使用倾斜摄影所生成的三维模型。 》因此，倾斜摄影三维模型也被贴上了“中看不中用”的标签。

闲话少述，下面介绍倾斜摄影三维建模的技术体系 1、概述 随着地理技术的发展，地理应用正经历从传统二维到三维的发展变化。城市三维建模也从传统的手工建模到基于倾斜摄影、机关雷达等技术的低成本、大批量建模的发展。 完整的倾斜摄影三维建模包括数据获取，建模与应用三大部分。数据获取涉及无人机航拍，相机、航线规划、数据质量控制等内容。建模包括空三运算、重建、修模；应用部分主要是三维模型与具体的业务相结合，常见的包括土方量计算、建筑物限高分析、智慧城市中以房查人，以人查房等功能。整体技术体系非常广泛，借助于项目实践，有幸粗略经历了建模的各个部分，限于时间及技术面，各部分略懂皮毛，记下来，以为总结。 2、什么是倾斜摄影 从多个侧面获取建筑物表面影像，已知摄像机的位置内外方位元素，根据后方交会的原理，结算被摄物体的空间位置，基于此，实现三维建模。倾斜摄影一般从五个方向获取数据即:垂直正射、前后左右四个方向的倾斜（一般45度角）。相机内方位元素包括焦距、像主点的位置，外方位元素包括相机的空间位置及姿态信息。后方交会为三角测量的基本方法。 飞行平台：主要包括固定翼及旋翼，固定翼飞行时间长，旋翼相对较短。我项目中使用到的大疆M600 pro ,一组6块电池，高原地区飞行时间20分钟左右。 相机：常见的有五镜头、双镜头摇摆、单镜头等方案。理论只要满足三角测量的的原理，从至少两个不同的位置对同一个物体表面进行测量即可完成建模，所有，对于单镜头一般需要重复飞行5次以获取五条航线（建筑物五个角度）的数据。 3、数据获取 4、建模 5、应用 6、总结

倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观的反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。倾斜摄影只是一种摄影方法，重要的是计算机视觉技术利用足够数量和有足够重叠度的倾斜影像实现了三维重建，因而就形成了倾斜摄影技术或倾斜摄影测量技术。倾斜摄影目前在测绘领域的主要用途是快速建立精细的地表三维模型，可以替代传统的手工建模和“倾斜影像+激光扫描”的建模方法。倾斜摄影技术优势或者说最吸引用户的，就是利用倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型。在大数据时代、智慧城市的时代，全息三维将是地理信息产业服务于智慧城市、大数据时代的有力武器。