文稿教程遙感13

基于Smart3D三維模型構(gòu)建方法研究

-----山東科技大學(xué)為例

答辯人：朱藝洵指導(dǎo)老師：解斐斐答辯日期：2017.6.11目錄1.選題背景2.研究框架3.研究內(nèi)容4.分析總結(jié)5.致謝選題背景1.1傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)

由于攝影姿態(tài)及飛行高度的限制，傳統(tǒng)的垂直攝影系統(tǒng)一般都會(huì)受到限制，獲取的數(shù)據(jù)為垂直視角下的影像，因而只能獲得建筑的高度和部分頂部的紋理信息，這使得全方位的模型重建以及場(chǎng)景感知受到局限，非專業(yè)人員難以對(duì)影像進(jìn)行解譯，影像信息量也無法滿足需求。而傾斜攝影技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的一種補(bǔ)充，它顛覆了以往航攝儀只能從正射角度拍攝影像的局限，它通過在同一飛行器上搭載多臺(tái)傳感器同時(shí)從1個(gè)正射、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同的角度采集數(shù)據(jù)，將用戶引入了符合人眼視覺習(xí)慣的真實(shí)且直觀的世界。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以快速建立城市三維模型。1.2無人機(jī)快速三維建模的意義

隨著“數(shù)字城市”概念的提出，創(chuàng)建數(shù)字3D城市場(chǎng)景已成為研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字城市建設(shè)，可以全方位表達(dá)空間對(duì)象，也可以進(jìn)行三維空間分析操作、對(duì)地理空間現(xiàn)象的3D顯示，予人身臨其境之感。在當(dāng)今的大環(huán)境下，三維數(shù)字城市的需求將不斷增加。由于傳統(tǒng)攝影測(cè)量具有一定的局限性，不適用于小范圍的大比例尺地形圖的獲取，且攝影的費(fèi)用較高，無人機(jī)攝影測(cè)量理所當(dāng)然的正在成為人們研究的熱點(diǎn)。無人機(jī)攝影測(cè)量相對(duì)于傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量來講，具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1.無人機(jī)攝影測(cè)量由于其攝影高度比較低，所以建筑物的細(xì)致結(jié)構(gòu)可以得到較好的體現(xiàn)，有助于三維建模和地形圖的測(cè)制；2.在小面積區(qū)域內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)攝影測(cè)量成本較低；3.無人機(jī)攝影測(cè)量效率比較高，周期短，可操作性強(qiáng)，運(yùn)作起來也方便；4.無人機(jī)攝影測(cè)量的平面精度指標(biāo)能滿足規(guī)范的要求?！镅芯靠蚣?.1Smart3D三維建模軟件介紹

Smart3D是法國Acute3D公司旗下的傾斜攝影自動(dòng)批量建模軟件，是基于圖形運(yùn)算單元GPU快速三維模型的建模軟件。它通過攝影測(cè)量原理，可以將多種源數(shù)據(jù)、分辨率、任意數(shù)據(jù)量的照片轉(zhuǎn)化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)格模型。具體來說，它通過對(duì)獲得的傾斜影像、街景數(shù)據(jù)、拍攝照片等不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。該過程僅依靠簡單連續(xù)的二維圖像，就能還原出最真實(shí)的真三維模型，完全無需人工干預(yù)便可完成海量城市模型的批量構(gòu)建。2.2三維建模關(guān)鍵步驟

傾斜影像的三維建模方法的基本流程包括：導(dǎo)入數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量進(jìn)行基于DSM的密集匹配基于點(diǎn)云構(gòu)建TIN三角網(wǎng)自動(dòng)紋理映射研究內(nèi)容3.1基于Smart3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入流程

Smart3D能夠自動(dòng)建立相關(guān)的影像組，如果按采集影像的相機(jī)來設(shè)置原始影像的目錄結(jié)構(gòu)，不同的相機(jī)（即使型號(hào)相同）拍攝的影像應(yīng)放置到不同的獨(dú)立的子目錄下。3.2空中三角測(cè)量為了執(zhí)行三維重建，Smart3D必須準(zhǔn)確地獲得每個(gè)影像組的屬性以及影像的姿態(tài)信息。如果這些信息缺失，或者不夠精確，Smart3D會(huì)自動(dòng)計(jì)算出這些信息。這個(gè)運(yùn)算的過程被稱為空間三角測(cè)量(AT）。3.3DSM生成

Smart3D進(jìn)行空中三角測(cè)量，可以確定每張影像的外方位元素，對(duì)每個(gè)立體相對(duì)進(jìn)行密集匹配，并通過前方交會(huì)計(jì)算出每個(gè)物方點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而得到該地區(qū)的DSM。3.4構(gòu)建TINTIN被視為表達(dá)DSM的最佳方式，原因在于TIN不僅數(shù)據(jù)量小，而且表達(dá)了一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。多視匹配獲取大量的點(diǎn)元素與線元素，匹配點(diǎn)元素分布不規(guī)則，可直通過Delaunay三角網(wǎng)，生成TIN格式的DSM。

3.5紋理粘貼及實(shí)景影像三維模型輸出在紋理映射方面，傳統(tǒng)方法通常利用垂直影像進(jìn)行紋理映射，要獲取建筑物的側(cè)面紋理傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行近景攝影或者從以后的影像庫中調(diào)取。而利用Smart3D進(jìn)行紋理粘貼時(shí)，軟件會(huì)全自動(dòng)進(jìn)行上述步驟，且精美度高，細(xì)節(jié)表現(xiàn)力良好，大大的節(jié)約了人力物力。分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本文測(cè)區(qū)為山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)山東科技大學(xué)。青島地處山東半島東南部沿海，膠東半島東部，東、南瀕臨黃海，隔海與朝鮮半島相望，地處中日韓自貿(mào)區(qū)的前沿地帶。東北與煙臺(tái)毗鄰，西與濰坊相連，西南與日照接壤。截至2016年9月，學(xué)校總占地面積243萬平方米（3640余畝），建筑面積142萬平方米。相機(jī)為ARC524，制造商為索尼，ARC524是5鏡頭傾斜相機(jī)，搭載于4旋翼飛機(jī)上。本次無人機(jī)搭載5個(gè)相機(jī)，總重量小于3kg。采用優(yōu)質(zhì)定焦鏡頭，總像素達(dá)1億2千萬像素；可安裝在符合載重要求的旋翼無人機(jī)上使用；可根據(jù)任務(wù)需要更換不同焦距的鏡頭。其中飛行的相對(duì)航高為800米，外方位元素坐標(biāo)基準(zhǔn)為WGS-84，高程系統(tǒng)為橢球高、平面坐標(biāo)使用高斯3度帶投影獲得，共獲取5條航帶。圖示Smart3D自動(dòng)建模流程建模結(jié)果以山東科技大學(xué)三號(hào)樓為例，根據(jù)獲取的無人機(jī)數(shù)據(jù)，選擇其中包含3號(hào)樓的102張影像。

結(jié)果分析山東科技大學(xué)3號(hào)樓整體三維實(shí)景模型生成實(shí)驗(yàn)的效果較好，Smart3D是一個(gè)非常智能的全自動(dòng)建模軟件，且渲染能力、復(fù)原力強(qiáng)悍。細(xì)節(jié)方面，平坦的地方效果很明顯好于凸起部分，一直保持靜止（無外界影響）的部分生成的效果好于存在動(dòng)態(tài)部分（人員、車輛走動(dòng)等）。無人機(jī)航拍圖像的質(zhì)量是生成模型最重要的部分，是后天建模難以改變的，所以在獲取圖像的時(shí)候，盡量選擇最高質(zhì)量的圖片。作為建模者，應(yīng)該選擇良好數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，一般來說，連續(xù)影像之間的重疊部分應(yīng)該超過60%，物體的同一部分的不同拍攝點(diǎn)間的分隔應(yīng)該小于15度，對(duì)于簡單的物體，可以環(huán)繞式地從物體周圍均勻分隔地采集至少大約30-50張影像。致謝首先感謝敬愛的解斐斐老師在我畢業(yè)設(shè)計(jì)之初無微不至的耐心指導(dǎo)，在她細(xì)致的刪改指