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基于多源测量数据融合的三维实景重建技术研究

阚酉浔  
【摘要】:运用倾斜摄影技术是当前无人机航测的常用有效方法。倾斜摄影技术可以实现多角度影像采集,保证高效率、增加精确度、准确地理定位,实现三维实景重建,已成为国内外无人机航测的主要技术途径,并逐渐应用于地球物理探测等领域。测绘技术是实现土地利用规划的基础和关键。土地整治规划目前主要采用全野外人工测量和传统二维图形设计,存在野外工作量大、成图效率低、运行成本高等缺点,无人机航测成为解决上述问题的有效途径,研发适用于无人机倾斜摄影测量的三维建模系统,将奠定无人机航测技术规模化商用的基础。本文围绕倾斜影像三维实景建模技术难题,对三维建模技术等关键问题进行了系统深入研究,主要包括倾斜式影像空中三角测量技术、多视立体精确三维建模技术、空地融合的二、三维一体化规划设计技术,研发了原型系统,开展了无人机航拍影像和车载影像及手持相机影像融合建模试验。主要工作包括以下几个方面:1、运用三维数据采集和数据处理法建立了二三维一体化规划模型,揭示了倾斜摄影序列影像多视、多角度、大倾角的特性。通过试验,分析了传统影像匹配方法无法解决立体影像匹配系统中的遮挡、几何变形、几何断裂、影像大幅度旋转等瓶颈问题对土地整治规划的影响。确定了适宜开展基于多源测量数据融合的三维实景重建技术的条件:(1)海量精确的大场景三维数据;(2)精确的纹理数据;(3)控制点数据。2、研究了测图级精度的三维建模技术方法。结合计算机视觉领域中最新的、半全局密集点云匹配算法,通过建立影像与模型的严格对应关系,以多视最小二乘矢量匹配支持下的子像素定位精度,形成由2D边缘特征,经过前交3D矢量投影到图像2D特征验证的交互式迭代采集模式,同步生成测图级精度的二、三维矢量成果。3、根据多源、可量测影像数据集,构建基于多视影像的渲染环境,提供用户全息浏览及三维实景支持下的交互建模体验,并利用多层次分级建模技术获取空间对象的精细三维模型:利用航空倾斜影像建立中级模型,采用移动采集影像进行建筑侧面及地面景观精细建模,根据倾斜摄影和移动测量组合数据源,克服空地影像在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异,构建基于多视影像的摄影测量环境,提供用户全息浏览及三维实景支持下的交互建模,获取空间对象的精细三维模型。4、通过三维场景立体、多角度、全方位的展示技术,将土地整治规划要素与遥感影像、DEM数据、三维实体及实景影像等多源地表数据基于统一空间尺度进行融合集成,研究集成化数据成果的二、三维一体化系统。5、根据理论及算法的研究成果实现可规模化试验的原型系统,结合更全面的数据资料,不断吸收国内外三维建模处理研究领域取得的最新成果,进一步完善理论模型。本文的创新点简单概括为以下三个:1、空地联合影像定向配准技术利用无人机低空倾斜影像数据和地面车载及背负式RTK相机移动采集的地表影像数据,进行联合定向配准,克服传统空中三角测量算法只能针对下视摄影的困难和倾斜影像存在影像断裂及遮挡等不连续问题,并利用图形处理单元(GPU)并行算法提高大规模数据求解方程组的效率。2、空地融合精细三维实景建模关键技术根据倾斜摄影和移动测量组合数据源,克服空地影像在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异,构建基于多视影像的摄影测量环境,提供三维实景环境中的交互式精细三维建模并提供全息浏览、查询。3、三维实景二三维一体化土地整治规划设计模式通过空地融合精细三维实景建模技术,构建适合全地形的空地一体化实景模型,提出了空间精确配准的三维实景土地整治规划设计模式,彻底改变传统模式中的人工测量和二维平面规划设计方式,提高测量和规划设计的效率,增强项目区规划设计效果的直观展示,强化三维模型在土地整治规划设计中的推广应用。


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