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基于 ContextCapture 的无人机倾斜摄影测量三维建模

2019年9月12日 - ContextCapture(原Smart3D)教程

【摘要】随着无人机技术的发展,基于无人机的倾斜摄影测量已经成为测绘领域的重要手段。详细介绍 ContextCapture 的基本功能、 主要特性,研究其进行快速三维建模的技术路线和实施方案,并对建模过程中出现的问题给出建议。利用 ContextCapture 进行三维建模,人工干预少,自动化程度高,生产成本低,高效快速,且生成模型可应用于实际生产,对三维测绘成果的规模化生产具 有一定的参考价值。

倾斜摄影测量技术是近年来得到广泛发展应用的一项新的测量技术,同时从一个垂直和四个倾斜角度对目标地物拍摄影像,记录飞行航高、航速、航向、坐标等信息,通过对拍摄航 片的处理生成地面三维模型。

倾斜摄影测量三维模型比传统的三维模型更具真实感,能够真实反映地物的位置、外观、周围环境等,不仅能满足传统航空摄影测量的要求,还能获得更 多的数据。倾斜摄影获取的影像带有空间位置信息,能够生成数字地形模型、数字正射模型、数字线划地图等测绘成果。传统的倾斜摄影测量需采用大飞机载荷,飞行成本高,耗时长。

无人机航拍机动灵活,环境适应性强,作业成本低,能快速准确获取飞行困难地区的高分辨率影像,其优势是传统大飞机无法比拟的。目前,无人机倾斜摄影测量成为获取地面三维模型的重要途径,并且已经在测绘、城市规划、地质灾害等很多方面得到了较好的应用。

目前,已经有技术相对成熟的三维建模软件,如美国公司研制的Pictometry 软件,法国公司开发的street factory,Bentley ContextCapture (Smart3D Capture) 软件, 俄罗斯的 Photoscan, 微软公司的Ultramap软件,agisoft IIC 公司开发的PhotoScan, Skyline发布的PhotoMesh软件以及以色列的VisionMap软件等。

低空无人机倾斜摄影具有数据量大、影像倾角大、容易造成摄 影死角的特点。在使用三维建模软件进行建模过程中,会出现空三计算失败、运算速度慢等问题。本文以 Bentley Context capture 软件为例,详细阐述进行快速三维建模的技术路线和实施方案,为三维测绘成果的规模化生产提供参考借鉴。

1 Bentley ContextCapture 简介

Bentley ContextCapture (Smart3D Capture),是一套实景三维自动建模系统,集合了先进的数字影像处理技术、计算机虚拟现实技术以及计算机几何图形算法。ContextCapture 具备高兼容性,能对各种对象各种数据源进行精确无缝重建。同时,可加入其它可选的辅助数据:传感器属性(焦距,传感器尺寸, 主点,镜头失真),照片的位置参数(如 GPS),照片姿态参数(例如,INS),控制点等来提供建模精度。

ContextCapture的建模无需人工干预,即可在一定的计算时间内,输出带有真实纹理的高分辨率三角网格模型,准确重建建模对象几何外观及纹理特征。建模时间根据输入数据量的大小而定,输出模型的精度与输入照片的分辨率和精度高度相关,输入照片的分辨率和精度越高,生成的三维模型的细节越精细。

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。

ContextCapture引擎端是 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。

2 ContextCapture 实景建模

2.1 数据准备

对贵州省农科院园区进行数据采集,侧区内主要有建筑、 树木。测区采用 Phantom 4 DJI 无人机对实验区进行拍摄,影像获取的时间为 2017年1月,拍摄高度为50m,对农科院主 体园区采用手动环形绕飞,倾角45度倾斜拍摄,并保证无人机摄像头始终朝向园区中心,每隔3s自动拍摄。

由于农科院园区周边环境复杂,电磁信号干扰强,建筑物易产生遮挡,因此尽量不要低飞或者靠近建筑物飞行,尽量减少建筑物内 WIFI 信号产生的电磁干扰。飞手应处于相对开阔地带,确保无人机与飞手间不存在信号直线遮挡。

2.2 ContextCapture 数据处理

本文采用ContextCapture4.3进行三维重建。在进行三维建模之前,先对航片进行简单的手工整理,将拍摄的原始影像放在同一目录中,手动剔除不合格的航片,如曝光严重、对焦失 败、拍摄拖影、拍摄到无人机脚架、构图严重不合理等;删除起飞和降落时拍摄的相片。若相邻几张相片中表达信息相似度高,可适当剔除,以提高计算效率。ContextCapture三维建模主要包括空中三角测量、生成密集点云、构建TIN模型、自动纹理切片等过程,技术路线如图1所示。

contextcapture三维建模

2.2.1 空中三角测量

对倾斜像片进行空中三角测量,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。将倾斜摄影像片带有的POS数据作为初始方位元素,根据共线方程,可解算出每张像片的外方位元素。利用多基线多特征匹配生成影像之间的连接点,通过少量外业控制点和区域网平差可实现倾斜摄影空中三角测量。ContextCapture在空中三角计算完成后,生成空三报告,可直接用于下一步匹配和三维建模。

2.2.2 模型构建

空三计算之后,新建重建项目进行模型的构建。软件根据空三加密信息成果,通过多视影像密集匹配可获得高密度数字点云。当密集点云量较大时,可根据计算机性能将重建项目切 块分割成若干瓦片进行不同层次细节度下的 TIN 模型构建。瓦片的大小可自行设置,计算需用内存大小的评估数值会随着瓦片大小而变化。总的来说,需要将所需内存的大小控制在物理内存的50% 左右。通过调整三角尺寸至与原始影像分辨率相匹配,同时简化平坦区域的三角网,从而获得农科院园区的三维TIN模型(图 2)。

农科院园区三维 TIN 模型图 2 农科院园区三维 TIN 模型

构建TIN模型后,将三维TIN模型与纹理图像进行配准和纹理附贴。通过计算TIN每个三角面的法线方向与包含该地物的相片之间的夹角来选择适用于该三角网模型的纹理影像。夹角越小,说明该三角面与影像平面越接近,两者之间越匹配, 纹理质量越高。

TIN 模型上的三角面都能唯一对应一幅目标影像。在找到目标影像之后,计算每个三角形与影像中对应区域 之间的几何关系,找出每个三角面在纹理影像中对应的实际纹 理区域,将配准的纹理图像反投影到对应的三角面上,实现纹理贴附。

图 3 农科院园区三维实景模型

在Acute 3D Viewer中观察生成的三维模型(图 3),场景中地物的空间位置、形状、颜色、外观等与实际环境一致,各地物单体之间衔接流畅完整,建筑物轮廓清晰、各面纹理完整, 与实际情况相符。屋顶、门窗、汽车等细节能较好的表现出来, 中心区域的房屋和树木都能得到较好的还原,边缘区域树木的形状纹理与真实情况略有偏差。

2.2.3 三维模型成果发布共享

ContextCapture 支持多种格式的倾斜摄影模型生成,包含开放格式 3MX、自有格式 S3C、OSGB等,以及Esri i3s scene database格式,Esri i3s 格式的倾斜摄影模型成果可以对接到 ArcGIS中使用。

Esri i3s 格式输出成果目录中包含两个文件,一个是 .json 文件,另一个是nodes文件夹。Nodes文件夹内是分级结构的文件夹,其结构复合Esri和i3s标准。在生产项目完成后,创建spk文件格式的场景包。创建场景包的本质是将之前的i3s成果文件和nodes文件夹进 行简单的打包zip,后缀名改为spk的过程。

倾斜摄影模型作为文件形式,无法通过网络访问使用,将其发布成 Web service 服务,才能进行成果共享。Portal for ArcGIS可以将倾斜摄影模型发布成 Web service,支持网页和App形式访问并搭建使用。登录Portal for ArcGIS,可将本地的spk文件上传到Portal中。在Portal for ArcGIS10.5 版本中可对上传的spk文件创建对应的场景服务。在服务创建成功后,即可在场景查看器中预览三维场景。服务发布成功后,选择共享条目,可共享给指定群组或者完全开发共享。

3 建模过程中存在的问题和建议

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。

4 结语

本文利用无人机倾斜摄影以及ContextCapture软件,通过空中三角测量、生成密集点云以及构建TIN模型、自动纹理切片映射等环节,在极少人工干预下生成三维实景模型。ContextCapture生成的ERIS i3s格式的倾斜摄影模型成果可对接到ArcGIS中使用,并通过Portal for ArcGIS网页或者APP形式进行开放共享。利用ContextCapture进行无人机倾斜摄影实景三维重建,人工干预少,自动化程度高,生成成本低,高效快速,且生成模型可应用于实际生产。无人机倾斜摄影测量将在测绘和空间信息行业中发挥重要的作用。

来源:科技经济导刊,侵删

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