基于多旋翼单镜头无人机倾斜摄影三维建模及精度分析

发布时间：2020-04-29 07:59

【摘要】：近年来,航空倾斜摄影测量技术成为测绘领域发展迅速的一项新技术,是目前三维地理信息采集的重要手段。航空倾斜摄影测量技术通过无人机等遥感平台搭载多个或单个高像素可见光相机对目标进行多角度或多次拍摄,根据多视影像完成目标的三维模型构建和三维信息采集工作。目前流行的多拼相机可以采用多旋翼或者固定翼作为飞行器,与单镜头相比多拼相机的优势在于可以一次性采集多个视角的倾斜影像,但其设备价格昂贵,并且需要大型无人机作为搭载平台方可执行任务,其便携性和易用性较差。相比而言,单镜头则有价格上的优势,对飞行器要求较低,机动灵活适合小范围快速作业,但其缺点也比较明显,即需要多次飞行方可完整采集倾斜影像。随着航空倾斜测量三维建模相关技术的发展和成熟,对倾斜影像姿态的要求大大降低,多旋翼无人机在近几年也成为倾斜摄影飞行平台的一种补充。它具有飞行性能稳定、开发改装潜力良好、操作难度低、购置成本和维护成本低廉等优点。因此,利用多旋翼无人机采集符合要求的倾斜影像无疑是一种较为经济的选择。但是,多旋翼无人机载重量轻、续航时间短,这些缺点又限制了它的应用范围。若是能够通过无人机搭载更为轻便、灵活的单镜头相机来采集影像数据,根据需拍摄的区域范围确定无人机的拍摄路径,得到与多镜头设备同样的拍摄功效,并且可以降低设备成本、减轻无人机的负重量,增加电池的续航时间。这样不仅能够丰富倾斜影像的获取途径,而且还能与常规的多镜头倾斜摄影方案进行优势互补。本文根据倾斜摄影测量的原理和多旋翼无人机的特点,从飞行平台和航摄相机选型、单镜头无人机倾斜摄影航线设计等方面,对多旋翼无人机单镜头倾斜摄影及三维建模技术进行较为系统的研究,通过实验对比,验证其在一定程度上替代高成本的五镜头倾斜摄影在工程应用上的可行性。本文的主要研究工作有:(1)在分析了倾斜摄影测量原理的基础上,提出了基于单镜头倾斜航摄影像数据采集的思路,并通过硬件选型、航线设计和飞行规划实现单镜头倾斜航摄影像的采集。(2)在三维建模时,针对多视角航空摄影像片的特点,总结归纳了其色彩均衡的几个主要难点。在对倾斜影像进行的预处理中,摸索出一种面向统计参数的分步分级的色彩均衡的影像处理方法,并借助Photoshop的相关工具和像片统计参数,经过暗角修正、饱和度调整、亮度调整和色调调整等步骤,解决好多视角航摄像片的各种色彩问题,实现了多视角航空摄影像片统计参数自动化计算和色彩均衡批处理。(3)研究和分析了基于多旋翼单镜头无人机的倾斜摄影三维建模,通过航线规划设计模拟出多镜头效果,再通过实验区测试,验证此方案三维建模的可行性以及作业效率和质量精度,包括:三维建模效率对比、模型整体和局部效果对比、模型平面精度对比、模型高程精度对比、模型高度精度对比。为多旋翼单镜头无人机航摄系统的生产与应用提供参考依据。
【图文】：

影像,影像数据,常规

分别从下、前、后、左、右五个不同的角度同时对地面进行影像数据采集，具体的数据采集过程如图1-1所示。多角度倾斜航空相机从五个不同角度对同一个目标进行拍摄（Fritsch, D，2013），减少了航拍过程中的死角，使得所得到的倾斜影像具有纹理信息丰富、方位辨别较多等优点（王伟，2011）。所以倾斜摄影技术广泛地应用在城市动态管理、智慧城市建模、灾害监测以及评估等方面（Gerke M，2011）。图 1-1 常规倾斜影像数据采集

无人机,旋翼

航空摄影系统无法比拟的。相比而言，无人机遥感系统可以利用自身飞行器的优势弥补传统航空摄影的缺点，也是目前小面积航空影像采集的主要手段。随着技术手段的提升，一种垂直起降的无人机诞生了，即旋翼无人机，如图1-2所示，它的出现扩大了无人机航空摄影的应用场景和适用范围。目前市面上流行的旋翼无人机均为电动无人机，其最明显的特征便是垂直起降、自由悬停。当然其操作比固定翼无人机更为简单，上手更快，无论从价格成本、维护成本还是生产成本上来说都有一定的优势。另一方面，随着计算机软硬件的性能不断提升，为快速密集匹配各类海量、无序、多分辨率影像奠定了基础。行业内涌现出了众多新型倾斜摄影测量内业软件，如Street Factory、smart 3D Capture等，这些软件的出现极大的简化和优化了三维建模工作，有了无人机采集的倾斜影像以及必要的POS数据
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P231

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