一种实景三维建模方法与流程

本发明属于三维建模技术领域，具体涉及一种实景三维建模方法，尤其涉及一种基于cc的低空无人机倾斜摄影实景三维建方法。

背景技术

随着无人机技术的快速发展及民用化程度不断提高，无人机相关应用领域的技术研究也在不断拓展。低空无人机测绘就是近些年来快速发展的一个较为活跃的研究领域。无人机作为一个方便、高效和低成本的飞行平台，弥补了传统航测成本高、飞行窗口要求高、生产组织困难等诸多不足。低空飞行平台搭载多种航摄传感器后可获取地面影像或扫描点云数据，这些数据不仅可以进行正射影像制作、多光谱影像分析和数字线划图生产等传统二维的测绘工作，还可进行快速实景三维建模，并且该种建模方式有着人工干预少、效率高和模型场景逼真度高等诸多优点。然而，传统的建模方式需要用到地形图、高程和纹理贴图等大量数据，工作量较大。所以，倾斜摄影实景三维建模方式一经推出就引起了人们的高度重视。近些年来，人们对于该种建模方式做了大量的研究，其重点表现在以下几个方面:

(1)数据源获取设备的研制。

国外较早研制成功的航摄仪有德国的penta-digicam系统、美国的aos系统和以色列的a3系统等；随后，国内相继研发了swdc-5、amc580,topdc-5、双鱼倾斜相机i代和dms-2010系统等。

(2)多源数据联合建模。

为改善航摄系统的成果缺陷，人们也开始寻找将倾斜数据与其他数据源进行结合来提高建模的精度的方法，如:2015年宋文平等提出了将倾斜摄影与地面街景进行藕合来提高建模精度和仿真度的方法；2016年耿中元提出了一种基于外部缓冲区和tin瓦片金字塔的数据融合新算法来解决倾斜摄影的三维模型与大场景地形相融合问题的方法等。

(3)建模的技术流程。各国先后出现了很多的影像建模软件，其中比较常用的有contextcapture,photoscan,photomesh,pix4d和dpsmart等。人们对于这些软件的使用也做了相关的研究。例如:在2014年以来，张骥、陈兴芳、张鑫鑫和周杰等采用smart3d软件分别对leicarcd30,amc580,a3和swdc-5等航摄仪获取的地面倾斜数据进行实景建模的技术流程做了研究；2015年戴竹红对smart3d建模过程做了系统的介绍；在2016年，赵宏和刘尚蔚分解就采用photomesh生产智慧城市sd产品的工艺和photoscan进行三维实景建模的流程进行了阐述。

(4)建模成果的精加工及应用。数据的生产是以应用为目的的，如何对初始建模成果进行有目的的精细加工显得尤为重要。2014年沈大勇等提出了一种空洞的自动提取和重构算法来修补模型空洞；2016年沈大勇研究了对悬浮模型进行检测、提取和剔除等技术对模型成果进行优化；林晓鸿提出了将小型部件建模应用与室内设计。

由于低空无人机倾斜摄影建模较为广阔的发展前景，促使人们对该种建模方式作了各类研究。然而，目前的建模方式具有数据量大、影像倾角大、摄影死角和模型成果数据量大等一些特点。这就造成了在建模过程中常会出现运算速度慢、空中三角测量失败、模型修正困难和数据应用困难等问题。

因此，鉴于现有技术上的缺失之处，而加以修正、改良，同时本着求好的精神及理念，并由专业的知识、经验的辅助，以及在多方巧思、试验后，方创设出本发明，特再提供一种基于contextcapture的实景三维建模方法，能够提高建模的速度，并且避免空中三角测量失败的情况，便于模型的修正以及数据的应用。

技术实现要素：

本发明提出一种实景三维建模方法，解决了现有技术中三维建模过程中常会出现运算速度慢、空中三角测量失败、模型修正困难的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：实景三维建模方法，包括如下步骤：

s101：采集目标影像数据；

s201：建立3d工作集群，并设置共享主机以及其他电脑到该主机的映射路径；

s301：将采集的影像数据载入工作集群，对载入工作集群的影像数据进行加密处理；

s401：根据空中三角测量运算出的影像外方位元素，获得高密度数据点云，并根据高密度数据云构建tin模型，然后对tin模型进行纹理自动映射。

作为一种优选的实施方式，步骤s101中采集目标影像数据，包括下载并对航摄影像数据进行预处理，生成倾斜摄影数据以及pos数据，以及根据外业像控制测量生成像控测量数据。

作为一种优选的实施方式，步骤s301中，将采集的影像数据载入工作集群，包括将预处理后生成的倾斜摄影数据以及pos数据载入工作集群并生成空中三角测量数据，对采集的影像数据进行加密处理，包括利用像控测量数据对加入利用工作集群生成的空中三角测量数据。

作为一种优选的实施方式，步骤s201中建立3d工作集群，设置共享主机以及其他电脑到该主机的映射路径，包括将工作集群的电脑连接入同一局域网中，利用共享主机电脑中存放工程数据和位置的盘，并修改盘符，且该共享主机的盘符与工作集群中其他电脑的盘符不同，在其他电脑中建立相应的盘的映射，并修改工作引擎的工作目录。

作为一种优选的实施方式，步骤s301中，对载入工作集群的影像数据进行加密处理，包括对影像特征点提取后进行同名特征的匹配，然后再利用影像外方位元素反算实现空中三角测量加密。

作为一种优选的实施方式，步骤s401中，根据高密度数据云构建tin模型，包括将数据分块后再进行不同层次细节度下的tin模型构建，再根据三角网所构成曲面的曲度变化对tin模型数据进行简化。

作为一种优选的实施方式，对tin模型数据进行简化后，还包括对简化后的模型和纹理影像进行配准和贴图，而且同时为带纹理的模型建立多细节层次。

作为一种优选的实施方式，步骤s301中将采集的影像数据载入工作集群，包括根据工作集群中电脑的性能将数据分割成若干个瓦片然后进行单独的重建。

作为一种优选的实施方式，步骤s301中，对载入集群的影像数据进行加密处理，在每次进行加密处理后，进入3dview观察其解算状况，只有确定解算成功后进入下一步处理。

作为一种优选的实施方式，在步骤s401后，还设置有步骤s501，将创建完成的模型定义为初始模型，将该模型导入到第三方程序进行模型修整后，重新导入该程序进行纹理的重新映射。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：相较于传统的建模方式，本方法通过建立工作集群，实现了计算机性能的最佳发挥利用，提高了建模的效率，并且通过引入模型修整和重建，使建模的准确性得到了最大的保证，而且由于合理的发布方式使模型数据便于利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为空中三角测量数据加密流程示意图；

图3为空三加密成果可视化示意图；

图4为场景模型视图；

图5为加密点漂移示意图；

图6为5镜头倾斜云台空三加密改善处理流程示意图；

图7为模型修整前后对比示意图；

图8为wish3d移动端模型浏览示意图；

图9为场景模型局域网发布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实景三维建模方法，包括如下步骤：

s101：采集目标影像数据；

s201：建立3d工作集群，并设置共享主机以及其他电脑到该主机的映射路径；

s301：将采集的影像数据载入工作集群，对载入工作集群的影像数据进行加密处理；

s401：根据空中三角测量运算出的影像外方位元素，获得高密度数据点云，并根据高密度数据云构建tin模型，然后对tin模型进行纹理自动映射。

步骤s101中采集目标影像数据，包括下载并对航摄影像数据进行预处理，生成倾斜摄影数据以及pos数据，以及根据外业像控制测量生成像控测量数据。

在工作构建中，所需要的原始数据主要包括足够重叠度的多视角影像数据、pos数据和像控测量成果，如果有高精度的pos数据，也可以免除像控测量成果，对于多镜头倾斜云平台获取的影像数据，需要根据不同视角的相机进行单独存储，所有数据的命名要具有唯一性且不能出现中文目录，对于一些成果模型的空间位置没有要求的建模项目，其pos数据和像控数据可以没有，但值得注意的是飞行器直接导出的影像姿态数据通常会存在一定的问题，不可直接使用。

倾斜云台，基本上都是由中心一个正射角度的相机，周围均匀分布几个具有一定倾斜角度的相机所构成。其中，最为典型的就是五镜头倾斜云台，在工作状态下，中间相机光轴垂直于水平面，四个方向上分别分布一个光轴与水平面成45°角的相机。这就满足了在无人机一次飞行过程中，同时完成同一地物或特征点三张以上不同角度影像的覆盖。由于对同一地物获取的不同角度影像的覆盖度和重叠度越高，其解算的模型越精细，所以，获取实景三维建模数据时，会尽量增加飞行中影像的重叠度。但是，重叠度越高就意味着，增加了额外的工作量；因此，考虑到效率和飞行器在飞行中的倾斜等问题，一般将航线设置为航向重叠度大于80％，旁向重叠度大于60％。

在用smart3d进行数据处理之前，需要将获取的航摄和像控测量数据按照规定的零工进行处理，从而保证数据格式正确和资料完整，在完成预处理后，将数据导入程序进行相应建模处理。

步骤s201中建立3d工作集群，设置共享主机以及其他电脑到该主机的映射路径，包括将工作集群的电脑连接入同一局域网中，利用共享主机电脑中存放工程数据和位置的盘，并修改盘符，且该共享主机的盘符与工作集群中其他电脑的盘符不同，在其他电脑中建立相应的盘的映射，并修改工作引擎的工作目录。

具体的，工作集群的建立是为了提高数据的处理效率，在建立工程之前就可以先建立smart3d工作集群，工作集群的建立分为3步：1、集群电脑连接入同一局域网，2、将共享主机电脑中存放工程数据和位置的盘，并修改盘符m，且该盘符m不能与集群中其他电脑的盘符相同，3、在其他电脑中建立相应的m盘的映射，并通过contextcapturesettings修改工作引擎的工作目录；接头便可在m盘中新建smart3d工作，创建block，并在其中加载影像数据，pos数据和像控数据。

请参照图2，步骤s301中，将采集的影像数据载入工作集群，包括将预处理后生成的倾斜摄影数据以及pos数据载入工作集群并生成空中三角测量数据，对采集的影像数据进行加密处理，包括利用像控测量数据对加入利用工作集群生成的空中三角测量数据。对载入工作集群的影像数据进行加密处理，包括对影像特征点提取后进行同名特征的匹配，然后再利用影像外方位元素反算实现空中三角测量加密。

为了能够将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实状态下相接近的统一的空间模型，就需要对影像进行空三加密操作。当空三加密完成之后，其结算成果会在3dview中进行可视化的显示，也可以将空三后的成果直接导出成xml格式进行查看。空三加密成果可视化如图3所示。

此外，利用像控测量数据加入利用工作集群生成的空中三角测量数据的方法，还有利于空中三角测量加密过程中影像匹配的速度和精度；并且对空中三角测量成果进行控制加密；可以对建模成果起到坐标转换的作用；而坐标转换的方法，需要预先在程序中配置具有像控点的投影文件，若没有话，要提前创建或者导入，需要注意的是，像控点完成之后需要再进行一次成功的空中三角测量加密处理。

步骤s401中，根据高密度数据云构建tin模型，包括将数据分块后再进行不同层次细节度下的tin模型构建，再根据三角网所构成曲面的曲度变化对tin模型数据进行简化。

对tin模型数据进行简化后，还包括对简化后的模型和纹理影像进行配准和贴图，而且同时为带纹理的模型建立多细节层次。

将优化后的tin模型和纹理影像进行配准和贴图，且同时为带纹理的模型建立多细节、多层次的lod，便于对文件的组织结构进行优化，提高模型分层次浏览的效率。经过一系列处理之后可获得如图4所示的三维场景模型

步骤s301中将采集的影像数据载入工作集群，包括根据工作集群中电脑的性能将数据分割成若干个瓦片然后进行单独的重建。样既解决了计算机性能的不足也可以便于集群运算的任务分配。

步骤s301中，对载入集群的影像数据进行加密处理，在每次进行加密处理后，进入3dview观察其解算状况，只有确定解算成功后进入下一步处理。

具体的，在使用contextcapture对多视角影像进行空三加密处理时，时常会出现解算不出正确结果的状况。尤其是在数据量大、重叠率低和影像质量差的情况下，常会出现加密点漂移，从而造成空三加密失败。所以在每次进行完空三加密处理后，都必须进入3dview观察其解算状况，只有解算成功方可进行下一步。

对于时常出现的空三加密失败的情况，可以采用一些处理方式予以改善。接下来请参照图5和图6，将以5镜头倾斜云台为例，示出了改善的方法。

图中，①的实现包括两种方法，方法1：将其中空三失败的block的空三成果xml格式导出，提取其中的影像姿态数据(omerge、phi和kappa)对原始pos数据进行更新，接着重新导入相应的block；方法2：在其中空三失败的block中加入连接点和控制点。

在步骤s401后，还设置有步骤s501，将创建完成的模型定义为初始模型，将该模型导入到第三方程序进行模型修整后，重新导入该程序进行纹理的重新映射。对于一些对模型质量要求较高的项目，就需要对初步形成的成果进行再加工以修复这些问题，contextcapture软件提供的模型二次修复流程如下:contextcapture创建初始模型(一般为obj格式)→第三方软件模型修整→导入contextcapture软件进行纹理重新映射。第三方修模软件自身功能对修复效果影响较大。

请结合图7中的a图和b图，示出了利用meshmixer修复前后的效果，常用修复软件有:3dmax、geomagic、meshmixer、photomesh和realitypaint等。这些软件不仅可以对模型进行一些细微的修整，还可以对模型中部分区域进行曲面简化。但是，当模型的变形比较大时对模型简单的修整无法满足要求，就需要对其进行局部重建。采用dp-modeler可对contextcapture生产项目直接导入进行相应的修整和必要重建。

而在完成模型的修整和必要重建后，模型场景的浏览、查询和测量服务是实景三维模型成果的一个重要应用，通过对成果及网络发布是实现这些应用的重要途径。步骤s501后，还设置有步骤s601，利用wish3d，对模型进行网络发布；wish3d是互联网专用的实景三维模型数据发布工具，支持将osgb和obj格式的数据压缩后进行网络上传和发布，并支持计算机端和手机移动端的登录浏览，如图8所示。除了浏览服务，还可以在该平台中编辑模型注记和设计浏览飞行路线。对于一些可能涉密的实景三维模型不宜对外公开发布的，就需要在局域网中进行数据的发布。

目前专用的局域网数据发布平台基本都需要收费，对成果应用造成一定影响。下面介绍一种在内网中自由发布数据的方法。场景模型的内网发布，需要满足两个条件:①在构建模型时选择.3mx作为模型导出格式且选择其“web安全”选项。②在局域网服务器上成功安装nodejs网络服务平台。node.js是一个基于chromejavascript运行时建立的平台，用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用。在此需要注意的是，正常情况下nodejs软件安装过程中是需要连外网的。若要在局域网下安装，必须先找一个联网电脑将nodejs安装成功(安装时需配置缓存和全局选项的目录)；接着将整个安装目录拷贝到内网服务器，根据联网电脑配置相关选项后即可安装。安装完成后，通过cmd进入3mx数据的存放目录，采用“http-server”命令启动服务，请参照图9显示结果。

本实景三维建模方法相较于传统的建模方式，有着高效、高度自动化和高场景逼真度等诸多的优点。现已成为了摄影测量学科的一个新的重点发展方向。如今，该项技术已突破了单一数据源的限制，可以加入视频和扫描点云数据进行辅助建模，使建模成果获得了极大的改善，例如:新版本的contextcapture软件已加入了融合扫描点云共同建模的接口。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。