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科普三维重建技术综述经验篇

来源:科学管理原理 时间:2020-10-27
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1.倾斜影像技术优势

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。

2.无人机选择

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。

多旋翼无人机

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0.3平方公里2厘米分辨率的照片约张。(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)

固定翼无人机

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,相对飞行高度米左右,影像地面分辨率5厘米。(视具体机型而定)

3.倾斜摄影相机

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。

4.制作流程

①基本原理与制作流程

倾斜摄影实景三维是基于各大科学原理,对获得的倾斜影像、街景数据、或其他类型数据进行数据特征点匹配、空中三角测量、多基线多视匹配、三角网(TIN)构建、自动赋予纹理等步骤,最终生成三维模型的过程。

②原始数据获取

航线规划

科普

初识航测之『航线规划』

大疆

升级了,精灵4RTK新增斜面航线、变高航带两种规划方式,越来越方便!

技术

仿地飞行最全使用流程及应用

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,最大长度不超过米;

3)相对航高平均按米设计,最小相对航高应高于摄区内容其他构筑物米以上;

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)

日常飞行作业建议:

》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)。

外业飞行时间的选择

由于数据采集工作分为不同时间、不同起飞地点做的,因此拍摄出来的照片质量参差不齐。这里建议大家在上午10点到下午4点间进行外业飞行,这段时间光照条件较好,建议ISO在50—间,飞行速度为5m/s,曝光时间调短。在早间和晚间建议减少飞行时间,这个时候容易把照片拍模糊。原因很简单,由于早晚间,光照条件较弱,飞机没有做够长的曝光时间获得较清晰的照片,即使是把感光度调高,快门时间调长,但由于无人机飞行的条件造成的不稳定,所以拍出来的照片噪点会多,照片质量得不到保证。

③数据内业处理

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实景三维篇

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3D建模航拍技巧

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低空无人机航空摄影全流程解析

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你真的了解倾斜摄影吗?

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倾斜摄影建模格式生成、管理标准及导入导出

科普

倾斜影像的分辨率与矢量数据比例尺之间的关系

(1)加载照片

影像—添加影像—添加整个目录(如果你的照片没有放到一个文件夹中那么需要逐张加载,“添加影像选择”)。

这里需要提示一下一个参数,感应器尺寸。软件中所提到的感应器尺寸是要写感光元件的最大边长。举例说,精灵4pro的感光元件大小为1英寸,则面积为12.8*9.6,所以我们在Smart3D中填写的参数应该为最长边12.9mm。其他感光元件大小如下图所示。

(2)加入控制点坐标

控制点坐标写成txt文件,再导入进去。控制点文件格式如图所示。每列之间用一个空格相隔(这里要注意txt的格式!),以下的控制点数据已做处理,非真实地理位置坐标。

(3)手动刺控制点

在拍摄的图片中找到相应控制点的位置,同一个控制点建议在三个或三个以上的照片中出现。(shift+鼠标左键是刺控制点的操作命令)。控制点文件(.txt)导入后界面如下图所示。

(4)提交空三运算

当设置好目标区域的坐标系统和控制点后,打开ContextCaptureCenterEngine即可处理进行空三运算。空三运算完毕后,采集的数据将会变成控制点的坐标系统。

(5)进行模型重建

空间参考系统:选择你需要的坐标系,一般国内用是beijing,CGCS较多,根据自己的项目要求进行选择。

兴趣区域:这个参数可以控制你要处理数据的范围,一般我们拍摄的照片范围都会比目标范围大,因此通过调整边界框的大小来处理实际需要的目标区域。

切块:当处理数据的面积很大时,我们建议分块(tile)处理,这样对计算机的CPU和GPU的要求会低一些。有利于数据正常的运算。设置好参数,提交重建模型任务即可。

(6)结果

一般三维模型重建都是比较漫长的过程,最后给大家看看我一台服务(配置大概是3万元左右的,大家可自行百度配置)处理了三天三夜的结果。

(1)Tiling

Notiling(不分片)

整个区域只建成一个瓦片,若计算的硬件设备可以达到要求,可以不分片处理。

图不切块示意

Regularplanargrid(平面格网)

平面规则格网:按平面XY方向将区域重建划分成多个正方形瓦片,这个选项是比较常用的。

Regularvolumetricgrid

规则立体格网:将区域重建划分成多个立体瓦片。这样通常会增加瓦片数量,增加计算的工作量。

Adaptivetiling

根据内存的大小,自动将区域分成多个大小不一致的瓦片。当重建区域高度不均匀,三维重建模型分辨率不一致的情况下建议使用该模式进行三维重建。

(2)空三处理参数选择

Positioning/georeferencing

点数据根据控制点进行平差计算。若没有控制点数据则根据照片的pos信息进行计算。

空三参数设置

△关键点密度:默认是Normal(普通),当纹理较少或照片数量较少的情况下可以使用High,但是在这个参数下随着匹配照片和同名数量增加,空三处理速度会越来越慢。

△像对选择模式:默认值:根据图像间同名点匹配标准进行,其中包括图像之间的相似性。

△关键点相似性(similarimagesonly)通过关键点相似性来估计相对,当图像相似性具有足够的辨别力时,处理计算后会有一个较好的结果。

△全方位(exhaustive)使用所有可能的对。建议在照片重叠率较低的情况下使用。

△排序(sequence)仅当相邻照片在限定范围内才可使用。

△循环(loop)循环模式下且相邻照片在限定范围内才能使用,只能处理单循环的照片。

△组件构造模式(

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