无人机航拍照片数据的处理和3D建模

在采用无人机完成采集上百张高清照片后，我们如何将这些照片变为3D模型并测量呢？在本文我们将会结合例子详细介绍建模步骤。

在利用无人机完成建筑物或杆塔高清照片采集后，开始基于这些照片进行杆塔3D建模。我们采用Pix4D或AgisoftPhotoScan软件进行基站杆塔的3D建模。下面以PhotoScan软件为例说明数据处理及建模步骤。

一、PhotoScan软件介绍

Agisoft PhotoScan是一款基于照片自动生成高质量三维模型的软件，无论是航摄照片还是高分辨率数码相机拍摄的影像都可以处理。

Agisoft PhotoScan允许从一组重叠图像和相应的参考信息生成地理参考密集点云，纹理多边形模型，数字高程模型和正交图像。本文介绍主要基于没有地面控制点的图像处理步骤。

二、处理流程

我们不会在本文深入研究Agisoft Photoscan中各种复杂设置。 相反，我们结合航拍图像的设置概述一个基本的项目工作流程。

1.航片选取

根据《低空数字航空摄影规范》对于飞行质量和影像质量的要求，“像片重叠度应满足以下要求：a.航向重叠度一般应为60%~80%，最小不应小于53%；b.旁向重叠度一般应为15%~60%，最小不应小于8%。”。实际航线规划时，飞行人员应尽可能设置较高像片重叠率，避免出现航摄漏洞，重复飞行，减少作业成本。

无人机航摄完毕，筛选航片，剔除起飞和降落阶段航拍影像，仅保留无人机绕塔飞行阶段拍摄的照片。

2.Photoscan界面

从照片创建3D模型所需的所有步骤都集中在Photoscan的“工作流程”菜单下，如下图所示：

主要按照下述几个操作步骤：

1）添加照片到项目；

2）对齐照片；

3）建立密集点云；

4）生成三维网格；

5）生成网格纹理。

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单中的“添加照片…”按钮打开文件浏览器选择照片，或者只选择照片然后将他们拖到最左侧的“工作区”窗格中。添加照片时，Photoscan将创建“块”并显示添加的照片数量。

4.加载相机位置

在此步骤中，使用像机位置来设置即将构建的模型的坐标系。

如果像机位置未知，则可以跳过此步骤。然而，在下一步的对齐照片环节将花费更多时间。

在参考窗格中导入相机位置。

在“导入CSV”对话框中，根据文件结构指示分隔符，并选择要从中开始加载的行。 请注意，＃字符表示在对行进行编号时不计数的注释行。 通过在对话框的“列”部分中设置正确的列号，指示程序在每列中指定了哪个参数。 此外，建议在相应字段中为用于像机中心数据的值指定有效坐标系。在“导入CSV”对话框的样本数据字段中检查设置参数。

如果照片EXIF元数据可用，则“参考”窗格中的“导入EXIF”按钮也可用于加载像机位置信息。

然后单击“参考”窗格中的“设置”按钮，并在“参考设置”对话框从列表中选择相应的坐标系，如果尚未在“导入CSV”对话框中选择它。 根据测量精度设置像机精度，单位为米和度。

5.对齐照片

对齐照片功能主要是根据航片坐标、高程信息，相似度自动排列照片。

选择“对齐照片…”后，在弹出的对话框设置照片对齐参数。本文例子对于精度选取“最高”，“Genericpreselection”。在“Advanced”页，“Keypoint limit”选取40000，“Tie pointlimit”选取10000。

参数选取完成后，Photoscan将在所有照片中找到相似点，并在3D空间中重建相机位置。软件会根据对齐设置参数和照片数量，先生成一个“稀疏点云”，其中包含50,000到200,000个左右的点。

设置边界框也是非常关键的步骤，通过设置边界框可以将不关注的场景部分裁剪掉，避免在这些不感兴趣的场景部分上浪费计算时间。可以使用界面顶部的“调整区域大小”和“旋转区域”按钮来完成。建议通常将“区域”设置为包含点云的一部分，该点云包含想要制作模型的对象或区域。 这样处理节省了处理时间，并减少了以后可能需要执行的手动编辑工作量。

如果用于现场快速展示航片效果，可以选择低精度，实现照片快速排列。

6.构建密集点云

生成点云是Photoscan工作流程中计算量最大的部分。在“密集点云”对话框中，需要选择质量和深度过滤选项。如果用于处理的计算机的RAM低于32G，建议不要超过“中等”质量，通常中等质量可以满足大多数需求，高质量和超高质量需要花费数倍的时间。进行基站天线测量建议采用高质量，这样有利于提高后续点云的测量速度。

建议：Photoscan在处理点云数据过程中，将使用几乎所有计算机的RAM，因此通常可以在夜间或工作空闲时时处理。

7.构建三维网格模型

一旦生成密集点云，就可以构建3D表面网格。

参数设置确保在对话框中选中“插值已启用”选项。根据密集云的大小，网格可能需要10分钟到几个小时才能构建完成，将依据照片得到顶点着色的3D模型。

在生成纹理之前，你可以使用选择工具修剪模型的任何不需要的部分，使用“关闭孔”填充模型中的任何小间隙，使用“渐变选择”对话框移除小块浮动和无关的几何体，并使用“Decimate Mesh”功能将网格缩小到可管理的大小。

8.生成模型纹理

在完成模型优化，减小模型尺寸后，就开始准备生成模型纹理了。纹理是大量减少模型细节的重要方法，纹理是基于前面拍摄的照片生成，所以生成的模型将具有阴影。

使用“工作流程”下的“构建纹理...”选项对话框设置纹理的大小以及要生成的纹理数量。通常使用2048,4096或8192以及1到10个纹理，具体取决于项目中的照片数量。

9.导出模型

生成纹理后，可以选择将模型导出为OBJ，FBX或其他文件格式。

对巡检数据分析来说，可以选择导出为密集点云文件，文件格式通常选择LAS。