摘 要
近些年来随着无人机技术的发展,无人机凭借着其低廉的成本、较低的操控难度,无约束的起飞场地以及稳定的飞行性能越来越受到测绘行业的青睐,在服务业、农林业、电力、国土以及城市规划等领域得到了广泛的应用,尤其是在飞行困难地区快速获取较高分辨率的影像有着明显的优势.而利用无人机进行倾斜摄影测量进行三维建模相比与传统的三维建模方法具有较多优越之处,但无人机体积小,搭载能力弱,续航时间短在一定程度上限制了其发展.通常在进行无人机倾斜摄影测量进行三维重建一般搭载的是五镜头相机,但若能通过更为轻便、灵活的单镜头相机进行影像的采集并且能够在精度上达到要求,那么无疑会增加影像三维重建的获取途径.
根据影像三维重建的需要和多旋翼无人机的特点,从无人机低空航摄硬件的选择、影像获取流程优化和航拍摄影像数据精度对比分析几个方面出发,对使用单镜头进行倾斜摄影测量数据采集所涉及的关键技术进行系统的分析研究,并成功应用到实际的工作中.
主要的研究内容以及研究结果如下:
1)提出了使用单镜头相机进行影像采集的关键工作流程,包括航线规划和航片质量控制;
2)介绍了三维建模的主要方法,论述了基于 Smart3D 软件完成了实验区的三维建模的具体过程.
3)对利用单镜头进行倾斜摄影测量的 3D 模型的测量结果进行了精度分析,利用地面控制点以及房屋角点坐标和角点间的相对距离与野外全站仪实测数据对比,验证该方法精度是否达到数字测图规范要求.
关键词:无人机,倾斜摄影测量,单镜头,Smart3D,精度分析
Abstract
In recent years, with the development of UAV technology, with its low cost, low controldifficulty, unconstrained takeoff ground and stable flight performance, UAV has been moreand more obscured by the surveying and mapping industry, and has been widely used in theservice industry, agriculture and forestry, electricity, land and urban planning, especially. Ithas obvious advantages in rapidly obtaining high resolution images in difficult flight areas.Compared with the traditional 3D modeling method, the UAV has many advantages, but thedevelopment of UAV is limited to a certain extent because of its small size, weak carryingcapacity and short endurance time. Usually, the five-lens camera is used in the threedimensional reconstruction of UAV tilt photogrammetry. However, if the image can becollected by a more portable camera and the accuracy can meet the requirements, it willundoubtedly increase the access to the three-dimensional reconstruction of the image.
In this paper, according to the needs of three-dimensional image reconstruction and thecharacteristics of multi-rotor UAVs, the low-altitude aerial camera hardware selection, imageacquisition process optimization and aerial photography image data accuracy analysis arecompared in several aspects. The key technologies are systematically analyzed and researchedand successfully applied to practical work.
The main research contents and research results are as follows:
1) A key workflow for image acquisition using a single-lens camera is proposed,including route planning and aerial quality control;
2) Introduced the main methods of 3D modeling and discussed the specific process of3D modeling of the experimental area based on Smart3D software;
3) Accuracy analysis was performed on the measurement results of the 3D model undera single lens. The ground control point and the relative distance between the cornercoordinates of the house and the corner points were compared with the field total stationmeasured data to verify whether the accuracy of the method reached the digital measurement.
Keywords: drone, tilt photogrammetry, single lens, smart3D, accuracy analysis
目 次
第 1 章 文献综述 ......................................................................................................... 2
1.1 论文研究及技术应用开发背景 ..................................................................... 2
1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 3
1.2.1 无人机研究现状 ................................................................................... 3
1.2.2 倾斜摄影测量三维建模的研究现状 ................................................... 4
1.3 论文研究内容和意义 ..................................................................................... 5
1.3.1 研究内容 ............................................................................................... 5
1.3.2 研究目标和意义 ................................................................................... 6
1.4 论文组织结构 ................................................................................................. 6
第 2 章 无人机三维建模技术 ..................................................................................... 7
2.1 倾斜摄影测量特点 ......................................................................................... 7
2.2 倾斜摄影测量的技术规范 ............................................................................. 7
2.2.1 飞行平台性能要求 ............................................................................... 7
2.2.2 倾斜相机的具体要求 ........................................................................... 8
2.2.3 无人机安全飞行注意事项 ................................................................... 8
2.3 三维建模方法比较 ......................................................................................... 9
2.4 倾斜摄影测量三维建模原理 ....................................................................... 10
2.4.1 技术原理 ............................................................................................. 10
2.4.2 几何原理 ............................................................................................. 12
2.5 Smart 3D Capture 三维建模系统 .................................................................. 15
第 3 章 外业工作流程 ............................................................................................... 16
3.1 航摄质量控制 ............................................................................................... 16
3.1.1 飞行质量控制 ..................................................................................... 16
3.1.2 摄影质量控制 ..................................................................................... 17
3.1.3 成果质量控制 ..................................................................................... 17
3.2 航摄方案的拟定 ........................................................................................... 20
3.2.1 了解航摄需求 ..................................................................................... 21
3.2.2 航摄技术参数计算 ............................................................................. 21
3.2.3 航摄方案规划 ..................................................................................... 23
3.2.4 航线优化 ............................................................................................. 25
第 4 章 单镜头三维建模成果分析 ........................................................................... 26
4.1 实验准备 ........................................................................................................26
4.1.1 测区概述 ..............................................................................................26
4.1.2 无人机和摄影机的确定 ......................................................................27
4.1.3 计算机配置 ..........................................................................................28
4.1.4 飞行参数的设定 ..................................................................................28
4.2 航摄实施 ........................................................................................................29
4.2.1 像控点布设与测量 ..............................................................................29
4.2.2 POS 辅助航摄外业测量.......................................................................30
4.2.3 航摄资料验收 ......................................................................................31
4.3 Smart3D 三维模型的制作 .............................................................................31
4.4 实验数据分析 ................................................................................................36
4.5 实验总结 ........................................................................................................40
结 论 ..........................................................................................................................41
参考文献 ......................................................................................................................42
致 谢 ............................................................................................................................45
导师简介 ......................................................................................................................46
作者简介 ......................................................................................................................47
学位论文数据集 ..........................................................................................................48
引 言
现今,国内外建立三维模型的方法主要有三种,第一种利用激光扫描仪生成高密度点云,精度较高,但造价昂贵且只适用于小范围地区.第二种利用传统的摄影测量技术建立三维立体模型,但获取不到影像的立面信息,需要进行纹理的镶嵌,这种费时较长,成本较大.第三种就是倾斜摄影测量技术,通过影像匹配技术建立的三维模型效果较为真实,由于飞行不够灵活,飞行过程较为繁琐,现今影像采集的平台已经很少使用大型飞机,无人机在摄影测量方向的应用越来越广.
无人机倾斜摄影测量是利用无人机上搭载的相机,成一定角度对地进行拍摄,获取的航摄影像可以采用相应的航摄后处理软件生成正射影像、点云以及三维模型,无人机倾斜摄影测量的作业流程和传统航空摄影类似,分为内外业两部分,先有航空摄影测量外业获取符关质量要求的影像数据,然后再进行内业的数据处理,最终得到相应的遥感和摄影测量成果.其中影像的获取是整个流程的关键,因为航空影像的质量直接关系到内业成果的质量,常用的航摄相机一般采用的是五镜头相机,即所采用的航摄相机分别从垂直方向和四个倾斜方向对地获取影像,但这种相机造价昂贵,在无人机飞行时可能会由于外界环境引起飞机失控而造成相机损坏,所以本文研究的重点在于利用单镜头相机进行倾斜摄影建立三维模型的具体操作过程,然后验证其建模结果精度能否达到规定的要求,并与已有的五镜头成果进行对比, 验证利用单镜头相机进行倾斜摄影的可行性.
第 1 章 文献综述
1.1 论文研究及技术应用开发背景
摄影测量是一门关于影像的获取、处理、析取和成果表达的学科,先后经历了模拟、解析以及数字摄影测量三个阶段[2].随着新型摄影测量技术的发展,比如说车载摄影测量、近景摄影测量和机载摄影,这些新技术改变了传统摄影测量的作业模式,增加了影像的获取途径,加快了空间三维化的建设进程[3].
传统的航空摄影测量主要的大范围的区域测量中应用,对于小区域的测量,航空摄影技术还需要考虑到空域申请、气象、成本、时间等问题,可操作性不大.遇到小面积的测图时,基本上都是利用全站仪进行数字化测图,但这种方法,费时、费力、费钱.因此急需一种新的摄影测量技术来弥补这些缺陷,无人机低空摄影测量这一技术就应运而生了.无人机凭借着灵活的机动能力、较低的飞行成本和质量较好的高清影像在农业、林业、考古、防灾减灾、水电、交通等行业发挥着占据着的地位越来越高[4].
随着城市的发展进程的加速,"数字城市"的建设也在加快,但城市三维信息的获取却跟不上城市发展的速度,阻碍了城市的发展,三维信息的获取需要及时更新,城市信息管理水平跟不上城市的发展速度,城市三维信息的获取阻碍了城市的发展[5].传统的航空摄影测量三维建模方法是根据获取的正射影像数据以及人工获取的侧面纹理和地物起伏部分的纹理来建的,这种方法效率就会降低,还会出现人工拍摄导致的相片质量和顺序问题、拍摄漏洞以及操作复杂问题,所以传统摄影测量方法已经无法满足现今三维数据获取的需求,因此利用无人机进行倾斜摄影测量技术得已发展,在实际应用中具备了许多优势.倾斜影像使表达的信息更加直观,人们可以清晰地了解地物的信息和属性,获取地物的真实全面的三维和纹理数据[6],因此该技术被广泛应用于各测绘领域,同时也是对传统摄影测量的强有力补充,为航测领域提供了新的三维模型获取方式,降低了制作三维建模的成本,为航空遥感开创了新篇章.
无人机倾斜摄影测量采集数据的主要方法是在无人机上搭载多镜头相机,通过调整相机姿态,与地面成一定角度对地进行摄影.其作业流程与传统摄影测量方法类似,主要分为内外业两部分,在布设好高精度像控点的前提下通过外业获取符合质量要求的影像数据,再进行内业的数据处理,最终得到相应的测量成果.其中航摄影像的获取是流程的关键,其影像的质量直接决定了内业成果的质量.现今倾斜摄影主要利用五镜头摄影机进行数据采集,但五镜头造价昂贵,其价格甚至超越了无人机.所以现在很多测绘单位多采用单镜头来进行摄影测量.但由于无人机航摄存在着航摄相机内方位元素不稳定、受外界气象环境影响大等特点,测量精度并不是很高.因此现在国内外许多科研机构也都在研究如何提高无人机倾斜摄影精度的问题.本文从倾斜摄影技术规范、无人机和摄影机的选取、摄影机的检校、控制点布设方案设计、航摄计划的具体实施以及后期的三维建模和成果分析几方面综合叙述了提高航摄质量的具体措施以及利用单镜头代替五镜头建模的精度问题.
1.2 国内外研究现状
1.2.1 无人机研究现状
无人机,即不载人的飞行器.根据其结构和功能主要可分为固定翼式无人机、无人直升机、多旋翼式无人机,其中多旋翼无人机凭借着结构简单、价格相对低廉、对起飞场地要求较低等特点被各行业广泛应用,市场发展前景广阔.本文对三种类型的无人机从原理、飞机的稳定性和飞行特点进行详细的比较[7],见表 1 :
本文考虑到大型航摄平台系统本身的复杂性,无人机低空倾斜摄影测量最常用到的操作平台是固定翼和多旋翼无人机.但由于固定翼无人机对起降场地要求较高、操作学习复杂,危险系数高、不方便外业运输等特点不适合实验研究,而多旋翼轻小型无人机航速较慢、起飞着陆方便,对场地没有要求、飞行成本低、机动性较高[8],所以此次论文主要是基于多旋翼无人机进行倾斜摄影测量的相关内容进行研究.
虽然多旋翼无人机成本相对较低,机动性也比较高,但由于其体积小,搭载能力较弱,所以在飞行并不是太稳定,受风力和风向的影响较大,很难控制,再飞行时容易因侧翻而发生坠机,所以需要在飞机上安置控制器和导航系统,但由于这些控制系统体积太过庞大,很难小型飞行器上得倒应用,所以对于多旋翼无人机的研发工作一直都没有较大的进展.但在 1990 年以后,微机电(MEMS)技术发展了起来,新的导航系统被开发,其系统质量仅为几克,并拥有较为成熟的控制算法并在逐渐完善中,这时这种小型无人机才重新回到大众的视野里成为了研究热点[9-10].
近十年来,国内外轻小型民用无人机行业得到蓬勃发展.2010 年,法国 Parror 公司发布了全球第一款四旋翼无人机而受到广泛关注[11],它操作简单、稳定性强,在空中能够实现悬停操作,还可以利用 WiFi 将图像实时传送到手机上,受到市场倾爱.至此之后多旋翼无人机进入飞速发展时期.中国的大疆创新(DJI)、法国的 Parrot、美国的3DRobotics是这一市场的代表性企业[12-13].而国内的航摄行业大多也都是在大疆无人机的基础上进行升级改造,增加了飞机控制云台、GPS 等部件,使其能够在测绘领域得到应用.
1.2.2 倾斜摄影测量三维建模的研究现状
随着城市化建设的快速发展,城市三维模型凭借其直观的视觉效果、精确的位置信息和三维空间分析能力等特点,在许多领域得到了广泛推广,成为构建城市空间数据框架的重要基石.现有的三维建模技术主要靠人工,模型精细度方面虽然能够得到很好控制,但其成本高、耗时费力、不能直观反映真实世界、精度难以保证等缺点使得传统的三维建模技术不能满足当前城市发展需求.倾斜摄影测量以其多角度、大范围、高精度、高清晰度等优点,成为建立城市三维模型的首选技术,这种建模技术具有效率高、成本低的优势,在此技术基础上可开展大范围的城市三维建模.
倾斜摄影测量技术在国外起步的比较早,在该领域内,相对领先的有荷兰的Track Air 公司、美国的 Pictometry 公司、Trimble 公司[14-15].许多公司对倾斜航摄影像的处理技进行了研究并开发了一系列处理软件,基本的过程都都是倾斜影像几何处理、区域网联合平差、影视匹配、TIN 构建、地物纹理特征提取、影像可视化处理.现在研发的处理较好的软件,比如说 Smart3D 软件,这个软件是法国 Acute3D 公司的研发的,现今国内外许多数据生产单位都在使用该软件,该软件的特点是能够无需人工干预的快速完成基于真实场景的三维建模.除此之外还有法国 INFOTERRA 公司的街景工厂以及美国 Pictometry 公司的 Pictometry 倾斜影像处理软件.2010 年 4 月,国内天下图公司首次引进 Pictometry 倾斜影像处理软件,国内基于倾斜摄影的三维建模技术进入了快速发展时期[16].
在国内,刘先林院士带领团队基于倾斜摄影测量原理研发了第一台倾斜摄影机SWDC-5(见图 1),包括 1 个垂直拍摄的摄影机和前后左右 4 个 40-45°倾角的摄影机[17].
通过这台摄影仪可以得到五组不同视角的影像以及地物立面的真实纹理,北京东方道迩公司利用该摄影机完成了长春市的倾斜摄影工程项目[18].各生产单位也都在生产这种相机,随着技术的研发,新一代的五镜头相机体积越来越小,质量越来越轻,影像分辨率越来越高,并且能够安装在小型的固定翼和旋翼的无人机上.
在基于倾斜影像的建模软件中,法国的"街景工厂"凭借其优秀的三维建模能力优先占领了国内市场,与中国测绘地理信息局合作,利用 SWDC-5 航摄仪所采集的倾斜影像完成了国内首批实景三维模型重建测试工程.目前国内市场上的倾斜摄影批量建模软件有:Smart3D、PhotoMesh、ContextCaptureCenter、StreetFactory、Pix4D 等[19],但这些建模软件却没有一个是国内开发的,因此我们应该提高自主创新能力,推动倾斜摄影技术的发展.在未来的几年中,这项技术将广泛应用在城市的实景三维模型建设中,而相关 DOM、DEM、DLG 等数字产品可能成果倾斜摄影过程中生产的附属产品.
1.3 论文研究内容和意义
1.3.1 研究内容
1)详细论述了无人机倾斜摄影进行三维建模的基本技术规范和技术要求以及数据处理过程中所涉及的相关技术.
2)对摄影测量外业的具体工作流程进行了说明并从三个方面(飞行质量控制、摄影质量控制和成果质量控制)来说明提高航摄质量的方法.
3)对利用单镜头完成倾斜摄影测量地物三维建模工作进行了可行性分析.
4)研究了 Smart 3D Capture 三维建模的方法,对实验区域进行了三维模型的建立,并对模型的精度进行了验证.
1.3.2 研究目标和意义
本文是将多旋翼无人机、高分辨率微单相机和多轴云台结合,研究其在新型倾斜摄影测量技术支持下重建三维模型的具体过程,通过新产品和新技术的结合,使基于单镜头的多旋翼无人机倾斜摄影成为了现实.作为一种低成本、高效率的倾斜影像获取手段,分析单镜头倾斜影像数据采集的精度是十分必要的.
1.4 论文组织结构
第一章文献综述;重点介绍了论文研究的背景以及无人机和倾斜摄影三维建模国内外的研究现状.
第二章无人机三维建模技术;叙述了倾斜摄影测量技术进行三维建模的基本方法和具体原理.
第三章外业工作流程;本章重点阐述了如何在外业工作中提高航摄质量.
第四章单镜头三维建模成果分析,利用外业实测数据和内业三维建模成果进行数据分析,验证其精度能都达到大比例地形图测绘.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
结 论
无人机倾斜摄影测量技术是近几年新发展起来的测绘新技术,相比于传统摄影测量技术来说,它能够更快、更好的完成三维模型的建立,而且效果更佳的接近于现实世界.而利用该技术建模最普遍的方法就是利用多镜头相机对地进行摄影并利用相应的软件进行建模,现在市场上最好的航摄三维建模软件就是 Smart3D.
由于五镜头价格昂贵,所以本文提出了利用无人机上搭载单镜头相机进行倾斜摄影测量,并使用 Smart3D 软件完成三维模型的建立工作,并通过实测数据和模型测量数据的对比来验证单镜头倾斜摄影进行三维建模所能达到的精度指标,经过实验可以得到如下结论:
利用单镜头进行倾斜摄影三维建模,其建模后的距离测量结果基本上都可以达到cm 级精度,但是不可避免建筑物底部因其他建筑结构或树木等的遮挡导致部分数据缺失,同时对建筑物构建精细部分的测量误差较大.
由于受到飞机硬件条件的限制,航测只完成了测区内两个角度的飞行,没有进行其他方向的飞行,所以此次建模的精度并不是很高,同时由于实验中缺少五镜头相机,所以并没有和五镜头数据进行对比,只能从已有的文献资料和专业人士那查找相关数据,这些都是本论文的不足之处.
通过该论文的撰写,我深刻的意识到随着技术的发展,未来的测绘行业需要的高科技人才,无人机摄影测量技术也会在越来越多的行业中得到应用,并会逐渐取代传统的测绘方法.
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