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基于无人机载倾斜摄影成像的三维模型建立.rar

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    编号:20180915222316678    类型:共享资源    大小:6.47MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    基于 无人 机载 倾斜 摄影 成像 三维 模型 建立
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    山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )I摘 要构 建 城 市 建 筑 的 三 维 模 型 用 于 城 市 规 划 , 是 目 前 智 慧 城 市 和数 字 城 市 的 建 设 热 点 之 一 。 近 几 年 国 内 外 兴 起 了 电 动 多 旋 翼 无 人机 搭 载 5 镜 头 微 单 数 码 相 机 进 行 倾 斜 摄 影 , 并 利 用 Smart3D等软 件 进 行 快 速 三 维 建 模 。 该 模 式 克 服 了 传 统 人 工 拍 摄 及 大 飞 机 倾斜 摄 影 模 式 的 人 工 建 模 成 本 高 , 建 设 效 率 低 , 成 本 高 等 缺 点 。 无人 机 倾 斜 摄 影 的 诸 多 优 势 , 适 合 在 城 市 中 小 范 围 建 模 , 相 比 传 统作 业 模 式 , 可 有 效 节 约 成 本 , 减 少 作 业 周 期 。本 文 针 对 无 人 机 倾 斜 摄 影 三 维 建 模 的 基 本 原 理 和 技 术 流 程以 及 模 型 生 产 的 各 个 环 节 的 方 法 进 行 研 究 和 讨 论 。 并 根 据 自 己 的实 际 应 用 经 验 研 究 讨 论 出 某 些 生 产 环 节 的 其 他 方 法 设 想 和 一 些问 题 的 解 决 方 案 。 对 无 人 机 倾 斜 摄 影 三 维 建 模 的 关 键 性 操 作 进 行相 应 的 分 析 研 究 。 此 外 对 容 易 遇 到 的 技 术 性 问 题 和 相 应 的 解 决 方案 展 开 讨 论 , 积 累 实 际 工 作 经 验 并 打 下 坚 实 的 理 论 基 础 。论 文 主 要 完 成 的 工 作 有 :1.利 用 五 境 头 倾 斜 相 机 获 取 某 地 倾 斜 摄 影 数 据 的 技 术 要 求与 方 法 的 分 析 与 实 现 。 完 成 倾 斜 摄 影 数 据 的 采 集 与 预 处 理 。2.在 Smart3D软 件 环 境 下 , 利 用 获 取 的 倾 斜 影 像 数 据 与 POS数 据 等 , 进 行 该 区 域 的 实 景 三 维 模 型 的 构 建 , 取 得 了 较 为 理 想 的模 型 结 果 ;3.对 生 成 的 三 维 模 型 , 数 字 表 面 模 型 ( DSM) , 数 字 高 程 模型 ( DEM) 等 进 行 总 结 分 析 与 评 定 。 总 结 分 析 模 型 整 个 生 产 过 程中 采 用 的 方 法 与 遇 到 的 问 题 。 并 针 对 相 应 问 题 提 出 解 决 方 案 。山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )II关 键 词 : 无 人 机 ; 倾 斜 摄 影 ; 三 维 建 模 ; Smart3D; 数 字 表 面 模型 ( DSM) .山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IIIABSTRACTThe three-dimensional model of urban construction is used forurban planning, which is one of the hot spots in the currentintelligentanddigitalcities.Inrecentyears, Theelectricrotoruavs5lens slightly tilted single digital camera photography emerge both athomeandabroad,making3DmodelsbytheSmart 3Dsoftware.Thismodel overcomes the drawbacks of the high costs of artificialmodeling and low efficiency.There are such advantages of slantingas suitable for modeling in small and medium-sized cities , whichcan save the cost and reduce the working cycle compared with thetraditionaloperationmode.This paper studies and discusses the basic principle andtechnical process of the 3D modeling of the oblique photography ofunmanned aerial vehicles and the method of each ring of the modelproduction and get solutions according to practical applicationexperience.In this paper, the key operation of the 3D constructionsection of the slant is accumulated. In addition, the technicalproblems and the corresponding solutions to the practical workexperience and the solid theoretical basis for the problemsencountered.Themainworkofthepaperis:First,the analysis and implementation of the techniquerequirementsand methods of tiltingcamera data of a high school are山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IVobtained using the red peng-head tilt camera. Complete thecollectionandpretreatmentofobliquephotographicdata.Second, Ive achieved ideal model results by using obliquephotograph and POS data in the construction of three-dimensionalmodelinthisareaofSmart3Dsoftwareenvironment.Third, get the result analysis and accuracy evaluation of the 3Dmodel,digital surface model (DSM),digital elevation model (DEM),etc. Summarize the method and problem of modeling in the wholeproductionprocess.Andproposeasolutiontotheproblem.K ey Words: Uav;Tiltphotography;3DModeling;Smart3D; DigitalSurfaceModel( DSM) .山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )V目 录1 引 言 ...............................................................................................11.1 无 人 机 倾 斜 摄 影 测 量 概 述 ..................................................11.2 研 究 目 的 及 意 义 ..................................................................71.3 国 内 外 研 究 现 状 ..................................................................81.4 研 究 的 主 要 内 容 ................................................................101.5 研 究 采 取 的 主 要 方 法 及 路 线 ............................................132研 究 基 础 ....................................................................................162.1 实 验 区 及 数 据 简 介 ............................................................162.2三 维 数 据 的 获 取 .................................................................172.3 三 维 数 据 的 预 处 理 ............................................................283 基 于 Smart3D的 三 维 模 型 建 立.........................................303.1Smart3D进 行 三 维 模 型 的 建 立 方 法 与 过 程 .....................303.2 建 模 结 果 ............................................................................444 结 果 评 价 与 分 析 .....................................................................484.1 三 维 模 型 的 结 果 评 价 与 分 析 ............................................484.2 倾 斜 摄 影 测 量 技 术 方 法 与 问 题 分 析 ................................505 总 结 与 展 望 ................................................................................51参 考 文 献 ........................................................................................54致 谢 .................................................................................................56附 录.................................................................................................57山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )11 引 言1.1 无 人 机 倾 斜 摄 影 测 量 概 述1.1.1 倾 斜 摄 影 测 量 技 术倾 斜 摄 影 测 量 技 术 以 高 精 度 、 高 清 晰 度 、 大 范 围 的 方 法 全 面感 知 复 杂 的 地 物 场 景 ,通 过 有 效 的 数 据 采 集 设 备 和 专 业 数 据 生 产流 程 的 数 据 处 理 结 果 直 观 地 反 映 对 象 地 物 的 位 置 、 外 观 、 高 度 等属 性 ,确 保 提 供 测 绘 级 的 精 度 水 平 。 同 时 有 效 改 善 模 型 的 生 产 效 率 ,使 用 人 工 的 方 式 建 模 , 一 年 或 两 年 才 能 完 成 一 个 中 小 型 城 市 建 模的 工 作 , 通 过 倾 斜 摄 影 建 模 方 法 只 需 要 三 到 五 个 月 的 时 间 来 完成 , 很 大 地 减 少 了 三 维 模 型 数 据 采 集 的 经 济 成 本 和 时 间 成 本 [1]。倾 斜 摄 影 技 术 是 国 际 测 绘 遥 感 领 域 近 年 发 展 起 来 的 一 项 高新 技 术 。 通 过 在 同 一 飞 行 平 台 上 搭 载 5台 传 感 器 ( 目 前 常 用 的 是五 镜 头 相 机 , 如 图 1.1) , 同 时 从 一 个 垂 直 、 四 个 倾 斜 五 个 不 同的 角 度 采 集 影 像 , 拍 摄 相 片 时 , 同 时 记 录 航 高 , 航 速 , 航 向 和 旁向 重 叠 , 坐 标 等 参 数 , 然 后 对 倾 斜 影 像 进 行 分 析 和 整 理 。 在 一 个时 段 , 飞 机 连 续 拍 摄 几 组 影 像 重 叠 的 照 片 , 同 一 地 物 最 多 能 够 在3张 相 片 上 被 找 到 , 这 样 内 业 人 员 可 以 比 较 轻 松 地 进 行 建 筑 物 结构 分 析 , 并 且 能 选 择 最 为 清 晰 的 一 张 照 片 进 行 纹 理 制 作 。 向 用 户提 供 真 实 直 观 的 实 景 信 息 。 影 像 数 据 不 仅 能 够 真 实 地 反 映 地 物 情况 , 而 且 可 通 过 先 进 的 定 位 技 术 , 嵌 入 地 理 信 息 、 影 像 信 息 , 获得 更 高 的 用 户 体 验 , 极 大 地 拓 展 遥 感 影 像 的 应 用 范 围 [2]。山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )2图 1.1 五 镜 头 相 机图 1.2 一 组 影 像 获 取 示 意 图 ( 左 ) 多 组 影 像 获 取 示 意 图 ( 右 )倾 斜 影 像 ( 左 ) 正 摄 影 像 ( 右 )图 1.3 倾 斜 影 像 与 正 摄 影 像 的 对 比山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )31.1.2 倾 斜 摄 影 技 术 特 点1.反 映 地 物 真 实 情 况 , 并 且 能 对 地 物 进 行 量 测 倾 斜 摄 影 测 量所 获 得 三 维 数 据 可 真 实 地 反 映 地 物 的 外 观 、 位 置 、 高 度 等 属 性 ,增 强 了 三 维 数 据 所 带 来 的 真 实 感 , 弥 补 了 传 统 人 工 模 型 仿 真 度 低的 缺 点 , 增 强 了 倾 斜 摄 影 技 术 的 应 用 [3]。2.高 性 价 比 , 倾 斜 摄 影 测 量 数 据 是 带 有 空 间 位 置 信 息 的 可 量测 的 影 像 数 据 , 能 同 时 输 出 DSM、 DOM、 DLG 等 数 据 成 果 。 可在 满 足 传 统 航 空 摄 影 测 量 的 同 时 获 得 更 多 的 数 据 。 同 时 使 用 倾 斜影 像 批 量 提 取 及 贴 纹 理 的 方 式 , 能 够 有 效 地 降 低 城 市 三 维 建 模 成本 [2]。3.高 效 率 , 倾 斜 摄 影 测 量 技 术 借 助 无 人 机 等 飞 行 载 体 可 以 快速 采 集 影 像 数 据 , 实 现 全 自 动 化 的 三 维 建 模 。 实 验 数 据 证 明 : 1~2年 的 中 小 城 市 人 工 建 模 工 作 , 借 助 倾 斜 摄 影 测 量 技 术 只 需 3~ 5个 月 就 可 完 成 。1.1.3 航 空 摄 影 测 量 基 本 知 识定 义 : 空 中 摄 影 是 利 用 飞 机 或 其 它 飞 行 器 ( 如 气 球 、 人 造 卫星 和 宇 宙 飞 船 等 ) , 在 其 上 装 载 专 门 的 摄 影 机 对 地 面 进 行 摄 影 而获 得 像 片 , 其 中 用 飞 机 进 行 空 中 摄 影 的 叫 航 空 摄 影 。( 1) 摄 影 方 式按 摄 影 机 镜 头 主 光 轴 的 方 位 不 同 , 摄 影 方 式 分 为 垂 直 摄 影 和倾 斜 摄 影 两 种 。 镜 头 主 光 轴 处 于 铅 垂 位 置 的 摄 影 称 为 垂 直 摄 影 ,实 际 上 , 很 难 控 制 摄 影 机 主 光 轴 的 铅 垂 , 常 含 有 微 小 的 倾 斜 角 ,只 要 倾 角 小 于 2度 都 称 之 为 垂 直 摄 影 。 镜 头 主 光 轴 偏 离 铅 垂 直 位山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )4置 的 倾 斜 角 大 于 2度 时 就 称 之 为 倾 斜 摄 影 。( 2) 航 空 摄 影 的 投 影 方 式中 心 投 影 : 空 间 任 意 一 点 M 与 一 固 定 点 S的 连 线 ( 或 其 延长 线 ) 被 一 给 定 的 平 面 P所 截 时 , 则 此 直 线 与 平 面 的 交 点 M, 就叫 做 M点 的 中 心 投 影 。 M 点 称 物 点 , S点 称 投 影 中 心 , M点 为点 M的 像 。 MS为 投 影 光 线 , P为 投 影 面 。 按 中 心 投 影 定 义 知 :物 点 M、 像 点 M和 投 影 中 心 S这 三 点 是 共 线 的 。 位 置 关 系 如 图1.4:图 1.4 投 影 位 置 关 系 图如 图 1.4 所 示 , 三 种 对 应 关 系 分 别 为 ; M 点 位 于 M 点 和 S点 之 间 , M点 位 于 M点 和 S点 之 间 , S点 位 于 M点 和 M点 之间 。 前 两 种 情 况 得 到 的 影 像 叫 阳 位 像 , 第 三 种 情 况 叫 阴 位 像 。 摄影 时 物 镜 中 心 就 是 投 影 中 心 ; 摄 影 底 片 就 是 投 影 面 , 摄 影 影 像 就是 被 摄 地 面 的 中 心 投 影 [4]。1.1.4 倾 斜 摄 影 建 模 基 本 原 理 与 方 法倾 斜 摄 影 测 量 技 术 以 大 范 围 、 高 精 度 、 高 清 晰 的 方 式 全 面 感知 复 杂 场 景 , 通 过 高 效 的 数 据 采 集 设 备 及 专 业 的 数 据 处 理 流 程 生成 的 数 据 成 果 直 观 反 映 地 物 的 外 观 、 位 置 、 高 度 等 属 性 , 为 真 实山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )5效 果 和 测 绘 级 精 度 提 供 保 证 。 倾 斜 摄 影 技 术 通 过 在 同 一 飞 行 平 台上 搭 载 多 台 传 感 器 , 同 时 从 垂 直 、 倾 斜 等 不 同 角 度 采 集 影 像 , 获取 地 面 物 体 更 为 完 整 准 确 的 信 息 [5]。1.倾 斜 影 像 采 集倾 斜 摄 影 技 术 不 仅 在 摄 影 方 式 上 区 别 于 传 统 的 垂 直 航 空 摄影 , 其 后 期 数 据 处 理 及 成 果 也 大 不 相 同 。 倾 斜 摄 影 技 术 的 主 要 目的 是 获 取 地 物 多 个 方 位 ( 尤 其 是 侧 面 ) 的 信 息 并 可 供 用 户 多 角 度浏 览 , 实 时 量 测 , 三 维 浏 览 等 获 取 多 方 面 的 信 息 。2.三 维 模 型 建 立数 据 获 取 完 成 后 , 首 先 要 对 获 取 的 影 像 进 行 质 量 检 查 , 对 不合 格 的 区 域 进 行 补 飞 , 直 到 获 取 的 影 像 质 量 满 足 要 求 ; 其 次 进 行匀 光 匀 色 处 理 , 在 飞 行 过 程 中 存 在 时 间 和 空 间 上 的 差 异 , 影 像 之间 会 存 在 色 偏 , 这 就 需 要 进 行 匀 光 匀 色 处 理 ; 再 次 进 行 几 何 校 正 、同 名 点 匹 配 、 区 域 网 联 合 平 差 , 最 后 将 平 差 后 的 数 据 ( 三 个 坐 标信 息 及 三 个 方 向 角 信 息 ) 赋 予 每 张 倾 斜 影 像 , 使 得 他 们 具 有 在 虚拟 三 维 空 间 中 的 位 置 和 姿 态 数 据 , 至 此 倾 斜 影 像 即 可 进 行 实 时 量测 , 每 张 斜 片 上 的 每 个 像 素 对 应 真 实 的 地 理 坐 标 位 置 。3.倾 斜 摄 影 数 据 加 工 的 关 键 技 术 :( 1) 多 视 影 像 联 合 平 差多 视 影 像 不 仅 包 含 垂 直 摄 影 数 据 , 还 包 括 倾 斜 摄 影 数 据 , 而部 分 传 统 空 中 三 角 测 量 系 统 无 法 较 好 地 处 理 倾 斜 摄 影 数 据 , 因此 , 多 视 影 像 联 合 平 差 需 充 分 考 虑 影 像 间 的 几 何 变 形 和 遮 挡 关系 。 结 合 POS系 统 提 供 的 多 视 影 像 外 方 位 元 素 , 采 取 由 粗 到 精的 金 字 塔 匹 配 策 略 在 每 级 影 像 上 进 行 同 名 点 自 动 匹 配 和 自 由 网光 束 法 平 差 , 得 到 较 好 的 同 名 点 匹 配 结 果 。 同 时 建 立 连 接 点 和 连
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