隨著數(shù)字測圖技術(shù)的普及與GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，城市建設(shè)逐漸從“數(shù)字化”向“智慧化”升級。

在這個過程中，傳統(tǒng)的二維地圖數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足當前的社會發(fā)展需求，攜帶GIS信息的三維實景模型以其三維直觀的特點，成為城市建設(shè)的重要地理信息數(shù)據(jù)，是城市測繪的發(fā)展方向。



三維實景模型構(gòu)建的主要方式有三維激光掃描和無人機傾斜攝影等，其中，三維激光掃描主要適用于小范圍的精細化測量需求；而無人機傾斜攝影具有大范圍、高精度、高清晰等測量特點，能夠直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，有效提高測量效果和測繪精度，降低城市三維建模成本。

下面，我們一起來看下無人機傾斜攝影建模的具體流程。

一、無人機傾斜攝影測量原理

無人機傾斜攝影系統(tǒng)由無人機、高精度多角度測量相機、地面站組成。通過地面站可完成無人機航測飛行的航高、飛行速度等飛行參數(shù)的設(shè)置，同時可實時查看無人機的飛行狀態(tài)。



無人機傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維城市模型。

通過多鏡頭相機多角度采集信息，配合控制點或圖像POS信息，圖像上每個點都會有三維坐標信息，同時基于圖像數(shù)據(jù)可對任意點線面進行量測，獲取厘米級的測量精度并自動生成三維地理信息模型。

二、傾斜攝影建模流程

無人機傾斜攝影建模流程主要為：野外像控點布置、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及三維模型構(gòu)建。其中，外業(yè)數(shù)據(jù)采集要根據(jù)作業(yè)區(qū)域地貌特征，相控點布設(shè)和航拍路徑規(guī)劃。



1.野外像控點布置、外業(yè)數(shù)據(jù)采集

a.利用無人機進行航飛獲取POS數(shù)據(jù)和原始影像數(shù)據(jù)；

b.對獲取的影像數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，確保符合規(guī)范要求；

c.利用像控點和檢查點對數(shù)據(jù)精度進行檢查，為后期三維建模提供數(shù)據(jù)支持。

2.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理以及三維模型構(gòu)建

a.對數(shù)據(jù)進行空中三角測量，獲取影像的外方位元素?？杖嬎闶莾A斜攝影建模的核心步驟，包含影像特征點提取、 同名特征點匹配、影像外方位元素反算等步驟。

b.利用實景建模軟件ContextCapture進行建模，包括多視影像密集匹配可獲得高密度數(shù)字點云、構(gòu)建TIN模型、自動紋理切片映射等；

c.對形成的三維實景模型進行修飾，如區(qū)域漏空、變形等，同時利用點位測量信息對模型進行質(zhì)量檢查；

d.模型修飾完畢和質(zhì)量檢查合格后，形成城市三維實景模型最終成果。

三、外業(yè)數(shù)據(jù)收集注意事項

在無人機執(zhí)行任務(wù)前，要從任務(wù)目的、周邊環(huán)境、無人機性能、氣候條件等因素，設(shè)置航線相關(guān)參數(shù)，具體包括確定航高、設(shè)置重疊度、規(guī)劃起降點等，從而確定最佳的、具體的飛行航線。



為了保障建筑物紋理信息采集精度，一般來說，城市內(nèi)因地物較多，旁向重疊度為70% ，航向重疊度為77% ，山區(qū)因地物簡單，主要是對地形進行建模，航向重疊度為77% ，旁向重疊度為47% 。

1.分辨率

垂直和傾斜影像的地面分辨率是傾斜攝影最為直觀與重要的參數(shù)之一，也是直接決定后續(xù)三維建模質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傾斜影像自動空三時，為了保證量測點的精度，應(yīng)盡量保證不同影像的分辨率一致。

2.天氣

天氣因素會影響圖像質(zhì)量，主要是風、霧霾，雨雪，當風速過大時，應(yīng)該考慮停止飛行。

3.像控點

像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，野外像控點目標選擇的好壞和指示點位的準確程度，直接影響成果的精度。想要達到預期的成相效果，像控點布設(shè)的好壞起著相當關(guān)鍵的作用。

四、三維實景建模具體流程

三維實景建模一般需要采用自動化建模軟件ContextCapture，它是一款可由簡單的照片和/或點云自動生成詳細三維實景模型的軟件，可幫助您自動生成任意大小、任意精度的多分辨率三維模型。



只需將無人機外業(yè)收集到的圖像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)、像控點坐標等導入軟件中即可進行實景三維模型重建。

傾斜影像空中三角測量是實景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵步驟。因多視角影像平差需要考慮影像的幾何變形及相互間的遮擋關(guān)系，傳統(tǒng)的空三軟件無法處理，傾斜攝影空三平差處理最重要是如何將垂直下視影像和傾斜影像進行混合平差。

ContextCapture的三維重建功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實景三維模型的全自動計算。軟件的三維重建算法會自動匹配每個格網(wǎng)面片的影像紋理，確保各個三維格網(wǎng)模型頂點放置在最佳位置，從而以更少的瑕疵表現(xiàn)更精細的細節(jié)和更銳利的邊緣，大幅提高幾何精度。

1.建模過程中，可能存在的問題

在進行空三計算時，由于數(shù)據(jù)量大、影像重疊率低或者影像質(zhì)量差的情況下，會導致空三計算失敗。在這種情況下，可將計算失敗的空三成果以XML的格式導出，提取其中的影像姿態(tài)數(shù)據(jù)對原始的POS數(shù)據(jù)進行封信，然后重新導入進行計算。另外，也可加入連接點和控制點重新進行空三計算。 

另一方面，由于多相位拍攝過程中的遮擋，以及植被、水 面等均質(zhì)地物缺乏明顯的特征點而造成同名影像匹配較少，從而導致數(shù)字表明模型精度低以及切片紋理缺失和錯位。這種情況在三維模型成果中的具體表現(xiàn)為：部分樹木及建筑邊緣變形、建筑側(cè)面紋理不清晰、地形變形等。



針對這些問題，可使用ContextCapture的模型修正功能進行修正，并導入對應(yīng)的瓦片重新生成貼圖。同時，也可以使用第三方建模軟件進行修正處理，如3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh等。

2.ContextCapture系統(tǒng)架構(gòu)

ContextCapture系統(tǒng)架構(gòu)包含兩大模塊：主控臺（Master）和引擎端（Engine），遵循主從模式（Master-Worker）。ContextCapture主控臺是 ContextCapture的主要模塊。用戶通過圖形用戶接口，向軟件定義輸入數(shù)據(jù)，設(shè)置處理過程、提交過程任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)的處理過程與處理結(jié)果可視化等。主控臺不執(zhí)行處理過程，而是將任務(wù)分解為基礎(chǔ)作業(yè)并其提交給作業(yè)隊列。

引擎端Engine是 ContextCapture 的工作模塊。它在計算機后臺運行，無需與用戶交互。當引擎端空閑時，一個等待隊列中的作業(yè)的執(zhí)行，主要取決于它的優(yōu)先級與提交的數(shù)據(jù)。由于采用了主從模式，ContextCapture 支持網(wǎng)格并行計算。只需在多臺計算機上運行多個 ContextCapture 引擎端 ，并將它們關(guān)聯(lián)到同一個作業(yè)隊列上，就會大幅降低處理時間。

ContextCapture 除了 Master、Engine 外， 還 包 含 Setting、 Viewer 等工具模塊。Master 負責創(chuàng)建和管理任務(wù)，監(jiān)視任務(wù)的進度等；Setting 主要是幫助 Engine 指向任務(wù)的路徑；Engine 負責對所指向的作業(yè)隊列中的任務(wù)進行處理；Viewer則可預覽生成的三維場景和模型，可以觀察控制主控臺工作流的生產(chǎn)質(zhì)量， 利用它對最終生產(chǎn)的模型成果進行瀏覽。

3.ContextCapture軟件功能

①集成地理參考數(shù)據(jù) 

ContextCapture 可為包括 GPS 標記和控制點在內(nèi)的多種類型的定位數(shù)據(jù)提供本地支持。它還可以通過定位/旋轉(zhuǎn)導入或完整塊導入來導入任何其他定位數(shù)據(jù)。這使您能夠精確測量坐標、距離、面積和體積。

②自動空中三角測量和三維重建 

一旦自動識別每張相片的相對位置和方向，您就可以通過添加控制點和編輯連接點來對空中三角測量結(jié)果進行微調(diào)，以最大限度提升幾何和地理空間精度。優(yōu)化的三維重建算法以無可匹敵的精度生成精準的三維模型以及每個格網(wǎng)面片的影像紋理。



③生成二維和三維 GIS 模型 

借助 ContextCapture，可以生成各種 GIS 格式的精確地理參考三維模型，包括真正射影像和新的 Cesium 3D Tiles，并將瓦片范圍和空三成果導出為 KML 和 XML。

④處理實景模型 

ContextCapture 可以快速輕松地處理任何比例的格網(wǎng)模型，以及橫斷面的生成、地形和斷裂線的提取，及正射影像、三維 PDF 和 iModel 的生成。

⑤處理點云 

可以對點云進行增強、分割、分類，并與工程模型相結(jié)合。然后，您可以利用 ContextCapture 的高級三維建模、橫截面切割、斷裂線和地形提取功能，快速高效地對竣工條件進行建模并支持設(shè)計流程。

⑥生成和處理大型可縮放地形模型 

您可以從多種來源中生成非常龐大的可縮放地形模型，包括點云、斷裂線、光柵數(shù)字高程模型和現(xiàn)有三角形化不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)。通過與原始數(shù)據(jù)源同步，可縮放地形模型可實時更新到最新。

⑦生成三維 CAD 模型 

基于各種 CAD 格式、三維通用格式、DSM 和密集三維點云生成三維模型，確保模型在建模環(huán)境中是可訪問的。

軟件詳情：ContextCapture 三維實景建模軟件 | 為數(shù)字孿生打造 4D 數(shù)字化環(huán)境

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