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基于Smart3D三维模型构建方法研究.rar

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    编号:20180915222316236    类型:共享资源    大小:2.25MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 Smart3D 三维 模型 构建 方法 研究
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    山东科技大学本科毕业设计(论文)I摘 要为了弥补传统航空摄影测量的局限性,满足城镇发展的需要,三维建模的理论和技术问题值得深入研究,城市空间信息的获取和管理以及更新是建立数字城市亟待解决的问题。对于小面积大比例尺地形测绘而言,无人机摄影测量技术是一种理想获取地面影像的手段。相对于传统的航空摄影测量而言,它具有效率高、成本低、周期短、可操作性强、运作方便等优点;而且,影像上建筑物的轮廓清晰,彩色逼真,信息更加丰富。低空摄影测量技术结合基于 Smart3D 城市三维建模,可以为数字城市的快速发展开辟一种新的途径。本文以山东科技大学无人机数据为例,详细介绍了利用无人机倾斜摄影技术构建三维模型的方法与过程,对无人机倾斜摄影数据三维建模的关键技术:数据导入、空中三角测量、生成 DSM、构建 TIN、纹理粘贴及实景影像三维模型输出进行了分析与研究,最后对其生成的三维模型进行精度评定与分析。关键字:无人机;3D 建模;Smart3D;空三;DSM山东科技大学本科毕业设计(论文)IIABSTRACTIn order to overcome the limitation of traditional photography and meet the needs of urban development,the theory and technology of 3D modeling problems worthy of further study. City spatial information acquisition and management is the same as establish and update the digital city problems. Therefore,for small region with large scale topographic mapping. UAV photogrammetry is an ideal way for acquiring ground images. UAV photogrammetry generally refers to the height in photogrammetry below 1000 meters,compared with the traditional aerial photogrammetry,it has the advantages of high efficiency,low cost,short cycle,strong operability,convenient operation. Moreover,the image of the building outline clear,vivid color and with more abundant information. Low altitude photogrammetry combined with 3D modeling based on Smart3D can give us a new way for the rapid development of digital city.Taking the UAV data of Shandong University of Science and Technology as an example, this paper introduces the method and process of constructing 3D model by using oblique photography of UAV, and the key technology of 3D modeling for tilt data of UAV, including data import,aerial triangulation,generate DSM, build TIN, texture paste and real image three-dimensional model output and so on. At the same time,the key technology of UAV tilt photography data processing will be analysis and study. In the end,I will obtain the accuracy of the generated 3D model by evaluating and analyzing.Key words: UAV;3D modeling; Smart3D;Aerial triangulation;DSM山东科技大学本科毕业设计(论文)I目录1 绪论 .......................................................................................................11.1 研究的背景和意义 .........................................................................11.2 研究现状 .........................................................................................71.3 论文主要内容和结构安排 ...........................................................102 基于 Smart3D 三维建模方法及软件介绍 ..............................122.1 Smart3D 软件介绍 ........................................................................122.2 Smart3D 建模优缺点分析 ............................................................133 三维建模关键步骤分析 ................................................................153.1 数据导入 ........................................................................................153.2 空中三角测量 ................................................................................173.3 DSM 生成 ......................................................................................273.4 构建 TIN ........................................................................................373.5 纹理粘贴及实景影像三维模型输出 ...........................................404 实验结果与分析 ..............................................................................454.1 实验数据 ........................................................................................454.2 实验结果与分析 ............................................................................475 总结与展望 .......................................................................................555.1 总结 ...............................................................................................555.2 展望 ...............................................................................................57参考文献 .................................................................................................59致谢 ..........................................................................................................61山东科技大学本科毕业设计(论文)II附录 ..........................................................................................................61山东科技大学本科毕业设计(论文)11 绪论1.1 研究的背景和意义1.1.1 无人机技术无人机出现在 1917 年,早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机,应用范围主要是在军事上,后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20 世纪 80 年代以来,随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世,无人机的性能不断提高,应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时,任务载荷从几公斤到几百公斤,这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障,也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。按照系统组成和飞行特点,无人机可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机两大类种类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行,遥控飞行和程控飞行均容易实现,抗风能力也比较强,类型较多,能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等;降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地,比较适合矿山资源监测、林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测、土地利用监测以及水利、电力等领域的应用;无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落,对起降场地的条件要求不高,其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂,操控难度也较大,所以种类有限,主要应用于突发事件的调查,如单体滑坡勘查、火山环境的监测等领域。山东科技大学本科毕业设计(论文)2无人机具有机动、灵活、快速、经济等特点,以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像,无人机在摄影测量中的优势是传统卫星遥感无法比拟的,越来越受到研究者和生产者的青睐,大大地扩大了遥感的应用范围和用户群,具有广阔的应用前景。在国外,美国航空航天局将无人机应用于森林火灾监测、精确农业、海洋遥感等研究项目。澳大利亚利用全球鹰搭载成像 SAR进行海洋监测研究。在国内,红鹏公司微型无人机倾斜摄影系统将无人 机技术与倾斜摄影技术有效地结合,自主研发完成了一套微型无人机倾斜摄影系统,包括电动六旋翼无人机、五相机倾斜摄影吊舱、降落伞模块、控制模块等。系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低。定位精度与影像分辨率高等特点,可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。微型倾斜摄影产品平台,弥补了微型超低空低成本获取倾斜摄影测量高分辨率数据的空白,可为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务,提高了精细三维数据灵活快速获取的能力。应用成果已在公安、应急、测绘、旅游、环保等行业得到了应用验证,获得了用户的好评。社会经济效益显著,具有重要的示范作用和推广价值。无人机倾斜摄影测量已经成为未来航空摄影测量的重要手段和国家航空遥感监测体系的重要补充,逐步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段。1.1.2 倾斜摄影技术由于摄影姿态及飞行高度的限制,传统的垂直摄影系统一般都会受到限制,获取的数据为垂直视角下的影像,因而只能获得建筑的高度和部分顶部的纹理信息,这使得全方位的模型重建以及场景感知受到局限,非专业人员难以对影像进行解译,影像信息量也无法满足需求。而倾斜摄影技术是对传统航空摄影测量的一种补充,它颠覆了以往航摄仪只能从正射角山东科技大学本科毕业设计(论文)3度拍摄影像的局限,它通过在同一飞行器上搭载多台传感器同时从 1 个正射、4 个倾斜等 5 个不同的角度采集数据,将用户引入了符合人眼视觉习惯的真实且直观的世界。利用倾斜摄影测量技术,可以快速建立城市三维模型。从摄影技术特点上来看,一般倾斜影像航带间重叠率不超过 50%,这与传统摄影测量航带间重叠率超过 60%是不一样的。其次,五镜头系统同一次曝光四个侧视镜头获得的影像与下视影像不重叠不连接,因此对于整个区域网而言,侧视影像与下视影像间的重叠关系是复杂未知的。最后,倾斜航摄仪一般搭载在低空飞行器上,这使得倾斜影像的分辨率一般较高,通常在 10CM 左右,甚至更小。从倾斜影像自身特点来看,其像幅较传统拼接大像幅的航空影像要小很多。但是影像的透视畸变严重,同一张影像上不同区域摄影比例尺有很大区别,这给影像间的匹配带来了一定难度。除此之外,倾斜影像同名像对间的视点差异较大(可能达到 90 度),并且,即使同一个航带,不同视角的重叠影像也存在较大的获取时间差,使得影像的成像环境有不小的改变,进一步的增加了匹配困难。从应用方面来看,倾斜影像不同于以往的航空正摄影像。传统航空影像主要用于 2D 产品的生产,以获得地面的地形、地貌信息,而倾斜影像则主要用于城市地区的地物,尤其是人工地物信息的采集。倾斜影像弥补了正射影像不能从各个方位观察地物的不足,它能使建筑物的实际结构得到更好的反应。同时较高的分辨率和 360 度的视角也提供了更丰富、更全面的地面细节信息。航空摄影测量能够大规模的成图,倾斜影像又能够大量的提取和映射纹理,此两种方法相结合,在三维数字城市的应用中,能够极大的降低城市山东科技大学本科毕业设计(论文)4建模的成本以及时间。带地理参考的倾斜影像还可直接用于量测,这些都是倾斜影像突出于传统航片的优势。倾斜影像所反映的建筑物结构非常的真实直观,不仅如此,凭借先进的技术,所得到的地理信息也非常精确。因其影像信息的丰富、用户体验的高级,其在遥感影像中得到了更加广泛的应用,从而使得遥感影像的应用领域更加宽广。现如今这项技术已经广泛应用于欧美的国土安全、房产税收、实景导航、灾害评估等行业。1.1.3 三维建模技术人们对周围环境的认识一直追寻着逼真还原的效果,三维建模可以认为是一种最佳手段。三维建模技术由来已久,最早应用于地质、矿产等地下工程的模拟建模上,经发展和推广,目前已广泛应用于如医疗、游戏、交通等各巧各业。 “数字城市”作为人们认识和使用自身城市环境的一个手段,三维模型理应成为其框架的基本内容。但是,众所周知,三维建模在难度和复杂度上要远远超出二维图形,同时,一个城市所涉及的自然、人工物体以数万计起,数量庞大,形状各异,给建模带来很大困难。因此,在数字城市建设三维建模方面,主要研究的内容是如何快速、批量而逼真地进行模型构建。一般来说,三维建模的方法有三种:基于几何的建模(GBM,Geometry Based Modeling) 、基于图像的绘制和建模(IBMR,Image Based Modeling and Rendering) 、基于几何和图像的混合建模。上述 3 种方法,最早被提出来是 GBM 基于几何的建模方法,发展至今它的应用的领域也最为广泛、方法最为成熟。这种方法的优点有模型描述完备、支持功能复杂、视点自由等。但缺点是效率较低、工作量大。山东科技大学本科毕业设计(论文)5近年来,IBMR 基于图像的绘制和建模技术发展的非常快。它与传统基于几何建模的方法不同,不是采用几何图元而是采用一组图像来建立模型。基于图像绘制(IBR)的方法是将所有的场景照片拼接成球面或柱面全景图,视点不同选择不同的具体全景图,最后根据视线的方向绘制出最终的图像。因为这种方法使用的照片都是真实场景的影像,所以最后做出来的模型效果非常真实,虚拟的场景也有很强的沉浸感。基于图像建模(IBM)就是根据图像构建景物的几何模型,这里的图像包括计算机生成的图形、视频序列、照片甚至是绘画。IBM 的主要目的是将二维图像的景物构建成三维几何结构,这本来是计算机视觉的研究内容,但未来它的应用将会非常广泛,所以各界研究人员对这一内容都充满了兴趣。基于几何和基于图像的混合建模方法克服了前两种方法的缺点,吸取它们的优点,实现了以较少的图像以及较少的工作量,完成了精度较高的三维模型构建。以混合建模方法构建三维模型,不但精度高、效率较高,而且产生的模型能更好的进行虚拟现实应用和真实感渲染,显而易见这是一种十分有前景的三维建模方法。总结三维重建过去几十年的研究历程,其方法主要有下面几个特点:(1)越来越细致的描述建筑物结构,可以构建的建筑物类型从简单发展到复杂,量测精度也在逐渐升高;(2)越来越丰富的可用数据源,从单一立体航空遥感影像对发展到多影像集成,再到多数据源的融合,新发展的数据源有 DEM、InSAR 、SAR、地面规划图、LIDAR 等;(3)自动化程度越来越高的实验原型系统或商业系统,从最初的主要依靠人工完成发展到主要由机器自动完成,再到目前正在研究发展的全自动建筑物三维重建系统。1.1.4 无人机快速三维建模的意义山东科技大学本科毕业设计(论文)6随着“数字城市”概念的提出,创建数字 3D 城市场景已成为研究的热点。应用三维虚拟现实技术进行三维数字城市建设,可以全方位表达空间对象,也可以进行三维空间分析操作、对地理空间现象的 3D 显示,予人身临其境之感。在当今的大环境下,三维数字城市的需求将不断增加。同时,我们生活在一个三维空间中,为了人与自然的协调发展,在信息时代最理想的方式是在计算机环境中真实地再现三维空间,并可做到三维漫游查询和分析。因此在今天,随着无人机摄影测量技术的发展,三维地物重建即将成为时代的主流。由于传统摄影测量具有一定的局限性,不适用于小范围的大比例尺地形图的获取,且摄影的费用较高,无人机摄影测量理所当然的正在成为人们研究的热点。无人机摄影测量相对于传统航空摄影测量来讲,具有一定的优势,主要表现在以下几方面:1.无人机摄影测量由于其摄影高度比较低,所以建筑物的细致结构可以得到较好的体现,有助于三维建模和地形图的测制;2.在小面积区域内进行无人机摄影测量成本较低;3.无人机摄影测量效率比较高,周期短,可操作性强,运作起来也方便;4.无人机摄影测量的平面精度指标能满足规范的要求。鉴于无人机摄影测量的优点,可以用其来弥补航空摄影测量的不足,获取大比例尺的影像数据。不仅在地形图的制作的修改方面具有使用的推广价值,而且相对于航空摄影测量而言,无人机摄影测量在市政管理、风景名胜古迹等方面快速获取局部或全景鸟瞰像片方面具有更好的应用。重建人工地物的三维结构对获取真实的城市景观、构建三维城市地理信息系统来说,是非常重要的关键技术之一,所以,目前从无人机航片信息中提取信息、重建地物的三维模型是通常被采用的方法。
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