無人機航拍照片數據的處理和3D建模

在采用無人機完成采集上百張高清照片后，我們如何將這些照片變為3D模型并測量呢？在本文我們將會結合例子詳細介紹建模步驟。

在利用無人機完成建筑物或桿塔高清照片采集后，開始基于這些照片進行桿塔3D建模。我們采用Pix4D或AgisoftPhotoScan軟件進行基站桿塔的3D建模。下面以PhotoScan軟件為例說明數據處理及建模步驟。

一、PhotoScan軟件介紹

Agisoft PhotoScan是一款基于照片自動生成高質量三維模型的軟件，無論是航攝照片還是高分辨率數碼相機拍攝的影像都可以處理。

Agisoft PhotoScan允許從一組重疊圖像和相應的參考信息生成地理參考密集點云，紋理多邊形模型，數字高程模型和正交圖像。本文介紹主要基于沒有地面控制點的圖像處理步驟。

二、處理流程

我們不會在本文深入研究Agisoft Photoscan中各種復雜設置。 相反，我們結合航拍圖像的設置概述一個基本的項目工作流程。

1.航片選取

根據《低空數字航空攝影規范》對于飛行質量和影像質量的要求，“像片重疊度應滿足以下要求：a.航向重疊度一般應為60%~80%，最小不應小于53%；b.旁向重疊度一般應為15%~60%，最小不應小于8%。”。實際航線規劃時，飛行人員應盡可能設置較高像片重疊率，避免出現航攝漏洞，重復飛行，減少作業成本。

無人機航攝完畢，篩選航片，剔除起飛和降落階段航拍影像，僅保留無人機繞塔飛行階段拍攝的照片。

2.Photoscan界面

從照片創建3D模型所需的所有步驟都集中在Photoscan的“工作流程”菜單下，如下圖所示：

主要按照下述幾個操作步驟：

1）添加照片到項目；

2）對齊照片；

3）建立密集點云；

4）生成三維網格；

5）生成網格紋理。

3.添加照片

要添加你用于制作3D模型的照片，你可以使用工作流程菜單中的“添加照片…”按鈕打開文件瀏覽器選擇照片，或者只選擇照片然后將他們拖到最左側的“工作區”窗格中。添加照片時，Photoscan將創建“塊”并顯示添加的照片數量。

4.加載相機位置

在此步驟中，使用像機位置來設置即將構建的模型的坐標系。

如果像機位置未知，則可以跳過此步驟。然而，在下一步的對齊照片環節將花費更多時間。

在參考窗格中導入相機位置。

在“導入CSV”對話框中，根據文件結構指示分隔符，并選擇要從中開始加載的行。 請注意，＃字符表示在對行進行編號時不計數的注釋行。 通過在對話框的“列”部分中設置正確的列號，指示程序在每列中指定了哪個參數。 此外，建議在相應字段中為用于像機中心數據的值指定有效坐標系。在“導入CSV”對話框的樣本數據字段中檢查設置參數。

如果照片EXIF元數據可用，則“參考”窗格中的“導入EXIF”按鈕也可用于加載像機位置信息。

然后單擊“參考”窗格中的“設置”按鈕，并在“參考設置”對話框從列表中選擇相應的坐標系，如果尚未在“導入CSV”對話框中選擇它。 根據測量精度設置像機精度，單位為米和度。

5.對齊照片

對齊照片功能主要是根據航片坐標、高程信息，相似度自動排列照片。

選擇“對齊照片…”后，在彈出的對話框設置照片對齊參數。本文例子對于精度選取“最高”，“Genericpreselection”。在“Advanced”頁，“Keypoint limit”選取40000，“Tie pointlimit”選取10000。

參數選取完成后，Photoscan將在所有照片中找到相似點，并在3D空間中重建相機位置。軟件會根據對齊設置參數和照片數量，先生成一個“稀疏點云”，其中包含50,000到200,000個左右的點。

設置邊界框也是非常關鍵的步驟，通過設置邊界框可以將不關注的場景部分裁剪掉，避免在這些不感興趣的場景部分上浪費計算時間?？梢允褂媒缑骓敳康?ldquo;調整區域大小”和“旋轉區域”按鈕來完成。建議通常將“區域”設置為包含點云的一部分，該點云包含想要制作模型的對象或區域。 這樣處理節省了處理時間，并減少了以后可能需要執行的手動編輯工作量。

如果用于現場快速展示航片效果，可以選擇低精度，實現照片快速排列。

6.構建密集點云

生成點云是Photoscan工作流程中計算量最大的部分。在“密集點云”對話框中，需要選擇質量和深度過濾選項。如果用于處理的計算機的RAM低于32G，建議不要超過“中等”質量，通常中等質量可以滿足大多數需求，高質量和超高質量需要花費數倍的時間。進行基站天線測量建議采用高質量，這樣有利于提高后續點云的測量速度。

建議：Photoscan在處理點云數據過程中，將使用幾乎所有計算機的RAM，因此通?？梢栽谝归g或工作空閑時時處理。

7.構建三維網格模型

一旦生成密集點云，就可以構建3D表面網格。

參數設置確保在對話框中選中“插值已啟用”選項。根據密集云的大小，網格可能需要10分鐘到幾個小時才能構建完成，將依據照片得到頂點著色的3D模型。

在生成紋理之前，你可以使用選擇工具修剪模型的任何不需要的部分，使用“關閉孔”填充模型中的任何小間隙，使用“漸變選擇”對話框移除小塊浮動和無關的幾何體，并使用“Decimate Mesh”功能將網格縮小到可管理的大小。

8.生成模型紋理

在完成模型優化，減小模型尺寸后，就開始準備生成模型紋理了。紋理是大量減少模型細節的重要方法，紋理是基于前面拍攝的照片生成，所以生成的模型將具有陰影。

使用“工作流程”下的“構建紋理...”選項對話框設置紋理的大小以及要生成的紋理數量。通常使用2048,4096或8192以及1到10個紋理，具體取決于項目中的照片數量。

9.導出模型

生成紋理后，可以選擇將模型導出為OBJ，FBX或其他文件格式。

對巡檢數據分析來說，可以選擇導出為密集點云文件，文件格式通常選擇LAS。