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高空摄影测量在三维场景虚拟建模中的应用研究_陈伟.pdf

上传人:哎呦****中 文档编号:2468933 上传时间:2023-06-25 格式:PDF 页数:6 大小:1.45MB
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资源描述

1、第5 7卷第2期华中师范大学学报(自然科学版)V o l.5 7 N o.22 0 2 3年4月J OUR NA LO FC E N T R A LCH I NANO RMA LUN I V E R S I T Y(N a t.S c i.)A p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-0 4-1 1.基金项目:湖北省教育厅科学研究计划重点项目(D 2 0 2 0 3 0 0 2).*通信联系人.E-m a i l:c w e i 1 9 0 81 6 3.c o m.D O I:1 0.1 9 6 0 3/j.c n k i.1 0 0 0-1 1 9 0.2 0 2 3.0 2.0

2、1 6文章编号:1 0 0 0-1 1 9 0(2 0 2 3)0 2-0 3 1 0-0 6高空摄影测量在三维场景虚拟建模中的应用研究陈 伟*,官 彬(湖北第二师范学院艺术学院,武汉4 3 0 2 0 5)摘 要:利用无人机航空摄影测量快速高效获取城市三维信息已经成为当前三维城市建模技术研究和工程应用的热点.高空摄影测量是一种利用航高1.5k m以上无人机搭载长焦距拍摄系统、高效采集地面测绘数据的新技术,在城市三维建模中崭露头角.该文采用3 0 0mm焦距的数字航拍系统搭载高空航行器完成湖北省孝感市汉川市垌塚镇老观湖村高空拍摄与测量,标定相机后提取空间点三维信息;根据数字航拍系统拍摄的影像与

3、测量数据在三维虚拟场景中制作D EM模型,完成三维模型定向,为模型框架添加纹理,最终得到完整的三维场景虚拟模型.测试结果显示:最低拍摄分辨率不低于9.6c m,空间点三维信息提取误差在1%以下,是一种高质量、低误差的三维建模方法,可为构建城市三维虚拟模型提供一种新的途径.关键词:高空摄影;测量;三维场景中图分类号:P 2 2 8.4;P 2 0 8文献标志码:A开放科学(资源服务)标志码(O S I D):数字航空摄影测量是目前广泛采用的航空遥感数据获取技术.与传统的胶片摄影相比,数字航空摄影测量产品更加多样,可以适应不同天气状况,同时具有更高的分辨率.利用高空无人机的高空摄影测量采用针对航空

4、摄影的光学相机、摄影系统、机载雷达(激光L i D A R、S A R、I N S A R)、航空多光谱、机载高光谱(航空成像光谱仪)、机载P O S(I MU/D G P S)系统等多种技术手段开展航空遥感(摄影)测量,为国土资源调查、海洋资源调查、地质灾害与环境调查与监测、城乡建设规划等应用领域提供高精度的航空遥感(摄影)影像信息和地理定位定向信息1.三维场景虚拟建模是虚拟现实技术的关键步骤,也是虚拟现实技术的前提条件.构建虚拟三维模型即应用计算机图形技术营造一个逼真、生动的虚拟环境.一般制作城市三维虚拟模型时,需根据城市原貌进行设计,力求高度还原城市细节,因此,摄影测量技术是构建城市三维

5、虚拟模型的必备条件.依托高空摄影测量技术,采用大幅面数字航拍系统为拍摄主体,搭载高空航行器完成地面摄影与测量.作为一种新型的摄影测量方式,可实现远景测量,设计一套完善的拍摄系统,附带高空测量功能,为城市三维场景建模提供数据与影像2-3.根据城市三维建模的实际需求,本文研究一种新的高空摄影测量技术构建三维场景虚拟模型的方法.采用A 3数字航拍系统拍摄建模所需影像,相对以往航拍系统而言,A 3数字航拍系统拍摄视野更广、分辨率更高、可同时获取正射影像与倾斜高分辨率影像4.利用A 3数字航拍系统获取高质量的高空测量数据与影像后,在虚拟场景中建模,经 过 数 字 高 程 模 型(d i g i t a

6、le l e v a t i o n m o d e l,D EM)制作、三维模型定向、模型面纹理制作等步骤,最终得到符合标准的三维场景虚拟模型.1高空摄影测量技术1.1技术现状随着高性能计算机、高分卫星传感器、高速宽带技术的相继出现,测绘技术、仪器设备快速发展,推动了卫星导航定位、遥感、地理信息系统等各种高新技术的革新,国内外地理信息数据获取、处理与服务和效率突飞猛进.当前,航空航天遥感技术正在朝“三多”(多传感器、多平台、多角度)和“四高”(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率、高辐射分辨率)方向发展,遥感的应用分析由定性转向定量,航空航天遥感数据已经成为地形图测绘与更新的主要数据源,

7、遥感数据产品呈现出高、中、低空间分辨率,多光谱、高光谱、合成孔径雷达共存的趋势5.随着市场对精确的三维城市模型的需求大量增加,也促使世界各地的研究人员及生产商致力于 第2期陈 伟等:高空摄影测量在三维场景虚拟建模中的应用研究3 1 1 提供精细的城市三维模型.传统的人工方式建立城市三维模型成本高昂,近年来发展迅速的倾斜摄影技术在获取顶面纹理的同时,其搭载的倾斜相机能够同时获得地物的侧面纹理,具备了传统的航摄相片和地面影像的双重优势,因而被广泛应用于数字城市的建设之中.然而由于倾斜视角原因,相片存在严重的遮挡问题,同时尺度不一,使得倾斜影像的数据处理较为困难6.针对该问题,国内外学者在区域网平差

8、、高密度三维纹理T I N提取、机载与地面移动系统数据联合处理等方面已经开展了大量但较为分散的研究工作,一些商业软件系统如S t r e e t F a c t o r y TM、A c u t e 3 D TM等 提供了相 应 数据处理模块并能够生成可供浏览的大范围三维纹理T I N模型,在实体化三维模型量测方面也已经开展相关研究,但总体上尚无详细系统的研究成果,诸如区域网平差模型、多源多尺度数据融合、复杂建筑物精细三维实体模型自动提取等关键技术尚没有得到深入研究.1.2技术路线及特点本文 采 用A 3数 字 航 拍 系 统,相 机 焦 距3 0 0mm,解决了同时获取正射影像、倾斜高分辨率

9、影像的问题.存储器、相机、微型计算机、G P S、控制接口、旋转双镜头是高空拍摄仪器的关键构成.拍摄系统相机特点如下:1)相机的焦距大于同类型相机,在相同高度下,拍摄效果较优,获取的测量数据质量高;2)拍摄视角为1 0 9,能够同时获取不同方向的图像数据7;3)拍摄系统的重叠度高于7 3%,采集多角度影像时获取的加密点较多,有效改善三维建模精度;4)携带数据智能分析系统,获取数据用时短.大幅面数字航拍系统存在诸多数据分析优势,且继承三维场景虚拟建模的优点,因此形成的崭新三维建模方法具有突出性能.基于大幅面数字航拍系统进行单位场景虚拟建模过程中,包含D E M模型制作、模型定向以及纹理制作等过程

10、.基于高空摄影的三维场景制作路线如图1所示.图1 基于高空摄影的三维场景制作路线F i g.1 T h r e e-d i m e n s i o n a l s c e n ep r o d u c t i o nr o u t eb a s e do nh i g h-a l t i t u d ep h o t o g r a p h y1.3 A 3数字航拍系统简介A 3系统是国内率先引进的新一代大幅面数字航空摄影系统,是以色列V i s i o n M a p公司的核心产品,体现了航空摄影测量和数据自动处理系统的最新发展水平,具有目前市场上同等地面分辨率条件下最大的正射影像制图覆盖面

11、积和最快的数据处理流程,可为三维建模提供全方位数据支持.A 3系统一次飞行后,即可同时获得多种数据产品,而且数据同源性好,可以最大程度上支持数据的后期应用和再开发:1)高地面分辨率、高图像质量的数字影像;2)在航高5 0 010 0 0m范围内,一次性自动生成高精度的数字地表模型(d i g i t a l s u r f a c em o d e l,D S M)产品,无需额外工作量;3)D S M可以直接应用于建筑三维建模,无需进行通常的建筑高程测量,将传统三维建模成本降低一半以上;4)在航高5 0 010 0 0m范围,可以获取高精度D EM产品,分辨率在35c m;5)在航高5 0 0

12、10 0 0m范围,可以获取满足15 0 0基本比例尺测图的高精度D OM产品和超大像幅的倾斜摄影测量产品.1.4相机标定策略标定相机保障高空摄影拍摄与数据采集的精度,使用绘图仪器绘制精度在0.1 1mm以下的平面格网,记录格网交点的平面坐标,此时高程是0.相机在平面格网上选取垂直左、垂直右以及水平方式安置,标定相机的 焦距与光圈 后开始拍摄 测量8,以影像覆盖1 0 0%为目标,采用最小二乘法平差计算相机的参数情况.1.5空间三维信息提取相机标定后,需要提取场景的三维信息,连接待拍摄场景首尾标记拍摄站,令相邻影像重叠高于3 1 2 华中师范大学学报(自然科学版)第5 7卷6 5%.通过人工选

13、取全部特征点,选择大于6个相邻影像同名点标记影像的坐标信息.相邻影像定向后,得到“航带”,由数个影像组成9;得到不同“区域”,由数个航带组成.基于上述步骤获取三维模型之间的相对定位信息.根据相邻两影像定位结果基于共面条件计算公式匹配相邻影像的同名点,基于最小二乘法获取特征点的三维坐标.重心点坐标即得到的特征点三维坐标,利用数字地图、电子全站仪等设备结合坐标系中的三点判断相应的三维坐标,转换摄影测量坐标转换为地面坐标,中间历经空间变换操作1 0.一般采用点的共线、共面、夹角、轴线间平行等变量限制空间点的位置关系.2三维虚拟模型构建方法2.1 D EM模型搭建D EM模型制作是利用采集的高空摄影测

14、量数据构建三维虚拟场景模型的关键环节1 1.城市的微地貌由高程点描述,微地貌以上的空间由建筑物来描述,融合微地貌信息与建筑物高度信息形成城市场景综合高程信息1 2.因此,构建城市D EM与微地貌D EM即可获取城市场景综合高程信息,以此为基础最终构建三维场景虚拟模型,城市场景D EM与 三 维 虚 拟 影 像 构 建 的 技 术 路 线 如 图2所示.图2 城市场景D EM模型构建技术路线F i g.2 T e c h n i c a l r o u t e f o rb u i l d i n gD EM m o d e l o fu r b a ns c e n e 构建城市场景D EM过

15、程中,三角网与格网地表模拟方法使用频率较高,考虑两种方法的缺点与优点、针对实际模型构建情况判断使用方法1 3.三角网精度较优,能够准确模拟复杂地形信息,导致数据规模大1 4;格网模型相对来说数据存储量小、结构简单,但不能准确描述复杂地形.2.2三维模型定向内定向、相对定向、绝对定向是三维场景虚拟建模的定向内容.判断扫描坐标系和影像坐标系关系是内定向的主要目标6.影像数字化导致数字影像发生形变,仿射变形最常见.公式(1)为扫描坐标和影像坐标的关系表达式:x=(p0+p1G+p2K),(1)y=(q0+q1G+q2K),(2)式中,x、y表示拍摄影像坐标系坐标,仿射变形参数为p0、p1、p2、q0

16、、q1、q2,表示数据采集间隔,G、K表示扫描坐标.重建立体像对的两个影像像对方位是相对定向的主要目标,为被测量物体构建三维数字模型1 5.公式(3)为三维数字模型拍摄光线与基线应满足的共面条件:EX EY EZQCDQ C D=0,(3)式中,EX、EY、EZ表示X、Y、Z的基线分量;Q、C、D表示左影像正直像空间坐标,Q、C、D 表示右影像正直像空间坐标.转换模型点在像空间辅助坐标系的坐标为地面参考坐标系,该过程为模型的绝对定向,采用公式(4)描述的空间相似变换方法解决该问题:XYZ=a1a2a3b1b2b3c1c2c3XfYfZf+XYZ,(4)式中,表示缩放系数,ai、bi、ci是角元素的函数构成方向余弦;X、Y、Z表示坐标原点平移值,、f分别是实地场景地面坐标与摄影测量坐标.三维模型定向完成后,通过一次性平差方法降低三维模型控制点数量,降低建模难度.2.3纹理映射三维场景虚拟模型基本构建完成后,为使虚拟 第2期陈 伟等:高空摄影测量在三维场景虚拟建模中的应用研究3 1 3 场景效果更加生动、立体化,需丰富模型的外表,为模型制作纹理效果6.以制作完成的高精度基础三维模型为前提,

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