一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，包括在內(nèi)存中還原每張照片的虛擬相機(jī)模型，查詢與定位粗略三維空間坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的照片，為照片上勾勒的每個(gè)頂點(diǎn)尋找像素同名點(diǎn)、反算得到像素同名點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，擬合計(jì)算每個(gè)頂點(diǎn)精確三維空間坐標(biāo)，在航拍照片上勾勒建筑外形輪廓，和生成三維建筑模型。本發(fā)明所述建立方法對(duì)操作人員專業(yè)技術(shù)水平要求低、操作少，整個(gè)流程生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)期短，得到的模型精度高、與地形高度吻合、視覺效果好，能夠有效真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)。
【專利說(shuō)明】一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑的三維建模領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法。

【背景技術(shù)】
[0002]快速三維城市建模、農(nóng)村住宅建模，可以廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、農(nóng)村住宅管理等行業(yè)。傳統(tǒng)手工建模工作效率低、成本高、工作難度大，只適合小范圍局部建模；無(wú)法解決大范圍城市建模的需求。由于傳統(tǒng)手工建模工作效率低耗時(shí)長(zhǎng)，很多對(duì)時(shí)效性要求高的行業(yè)應(yīng)用無(wú)法能夠及時(shí)得到三維模型數(shù)據(jù)，在一定程度上限制了三維模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用與推廣。
[0003]傾斜測(cè)量屬于攝影模擬測(cè)量，計(jì)算得到三維空間坐標(biāo)誤差較大，通常會(huì)有很多死角無(wú)法拍攝到或沒有足夠的重疊度照片，導(dǎo)致最終得到的三維模型扭曲變形嚴(yán)重。如果想得到更真實(shí)、效果更佳的三維建筑模型，就必須重新建模還原現(xiàn)場(chǎng)。目前三維建模的方法主要流程是:首先，手工畫線條建立建筑模型的基本框架，簡(jiǎn)稱“白?！?然后，通過(guò)查找航拍照片或人工現(xiàn)場(chǎng)拍攝照片；最后，通過(guò)輔助軟件為每個(gè)多邊形面片找到對(duì)應(yīng)的圖片，為每個(gè)頂點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)的圖片紋理坐標(biāo)。通常一棟建筑會(huì)有幾千個(gè)頂點(diǎn)或上萬(wàn)個(gè)頂點(diǎn)組成，不管是建立“白模”還是為頂點(diǎn)找紋理坐標(biāo)都是很耗時(shí)的作業(yè)，所以導(dǎo)致整個(gè)流程生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本非常高、操作員技術(shù)水平要求高。另一方面，對(duì)于高層建筑物很難準(zhǔn)確測(cè)量到每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的高度和相關(guān)尺寸，所以導(dǎo)致提交的模型精度較差、甚至尺寸與現(xiàn)實(shí)偏離甚遠(yuǎn)。如果模型的紋理圖片是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)拍攝采集，采集的時(shí)間和設(shè)備與航拍三維地形的都不同會(huì)導(dǎo)致模型建好后，擺放到三維地形上，與地形嚴(yán)重不吻合、視覺效果差、不能有效反映真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，通過(guò)在三維地形空間確定建模目標(biāo)建筑位置，勾勒目標(biāo)建筑每個(gè)面的輪廓多邊形，計(jì)算機(jī)自動(dòng)反算三維空間坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)匹配生成三維建筑模型，整個(gè)建模過(guò)程，用戶操作少、作業(yè)效率尚ο
[0005]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0006]一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一、對(duì)地形進(jìn)行航空傾斜拍攝，獲得一系列照片以及每張照片的外方位元素和內(nèi)方位元素，在內(nèi)存中還原每張照片的虛擬相機(jī)模型；
[0008]步驟二、在三維地形場(chǎng)景中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要三維建模的目標(biāo)建筑的第一頂點(diǎn)，由鼠標(biāo)投影射線與地表求交，可以計(jì)算得到所述第一頂點(diǎn)的粗略三維空間坐標(biāo)；
[0009]步驟三、將步驟二得到的粗略三維空間坐標(biāo)在步驟一獲得的所有照片的虛擬相機(jī)模型中投影，并計(jì)算在每張照片中的投影坐標(biāo)，選擇投影坐標(biāo)落在底片范圍內(nèi)的所有照片，并分別標(biāo)記對(duì)應(yīng)的投影位置，即像素點(diǎn)；
[0010]步驟四、在步驟三得到的照片中，可以計(jì)算從拍攝照片的相機(jī)位置到對(duì)應(yīng)照片的所有像素點(diǎn)的射線簇，在所述的射線簇中，每條射線對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，即為該射線對(duì)應(yīng)的核占.
[0011]步驟五、選擇第一相機(jī)位置點(diǎn)拍攝的所述目標(biāo)建筑的一張目標(biāo)照片，得到所述目標(biāo)照片的虛擬相機(jī)模型，取所述目標(biāo)照片上的一個(gè)像素在所述虛擬相機(jī)模型中進(jìn)行投影計(jì)算，落在底片上的投影點(diǎn)，標(biāo)記為第一投影點(diǎn)，連接所述第一相機(jī)位置點(diǎn)和所述第一投影點(diǎn)得到第一射線，第一射線對(duì)應(yīng)的第一像素點(diǎn)，標(biāo)記為第一核點(diǎn)；
[0012]步驟六、截取所述第一射線在所述目標(biāo)建筑的高程值范圍內(nèi)的部分，得到第一核點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間線段，標(biāo)記為第一核點(diǎn)空間線段，將所述第一核點(diǎn)空間線段在步驟三得到的所有照片上投影，得到多條核線；
[0013]步驟七、選取所述第一核點(diǎn)一定范圍內(nèi)的像素，計(jì)算顏色梯度差，形成所述第一核點(diǎn)的像素匹配模板，在所述多條核線中的任意一條核線上移動(dòng)匹配模板，尋找梯度差最接近的點(diǎn)作為像素同名點(diǎn)；
[0014]步驟八、通過(guò)所述像素同名點(diǎn)所在照片的相機(jī)信息和照片信息，反算得到拍攝所述像素同名點(diǎn)的第二相機(jī)位置點(diǎn)出發(fā)到所述像素同名點(diǎn)的一條射線，標(biāo)記為第二射線；
[0015]步驟九、計(jì)算所述第一射線和所述第二射線的交點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，即為所述第一頂點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；
[0016]步驟十、重復(fù)步驟七至步驟九，分別對(duì)所述步驟六得到的多條核線處理，得到所述第一頂點(diǎn)的多個(gè)三維空間坐標(biāo)，進(jìn)行去除噪聲、平差擬合處理得到所述第一頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)；
[0017]步驟十一、在步驟三得到所有照片中，挑選拍攝有目標(biāo)建筑的視覺較好的照片，用多邊形勾勒出所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面的輪廓；
[0018]步驟十二、重復(fù)步驟二至步驟十，分別對(duì)步驟十一勾勒的所述目標(biāo)建筑的每個(gè)頂點(diǎn)處理，計(jì)算所述目標(biāo)建筑的所有頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)，得到這些頂點(diǎn)構(gòu)成的平面對(duì)應(yīng)的紋理圖片三維坐標(biāo)；
[0019]步驟十三、對(duì)步驟十一勾勒的多邊形封閉區(qū)域提取對(duì)應(yīng)的像素，并存儲(chǔ)為新圖片作為所述目標(biāo)建筑的紋理資源，以此方法將每棟建筑的紋理資源與三維空間的多邊形合成獨(dú)立的模型。
[0020]優(yōu)選的是，所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面挑選三個(gè)距離較遠(yuǎn)的像素點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)所述三個(gè)像素點(diǎn)分別尋找像素同名點(diǎn)，并計(jì)算其三維空間坐標(biāo)，確定唯一的三維空間平面。
[0021 ] 優(yōu)選的是，所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，步驟^^一中，所述目標(biāo)建筑的平面為弧形平面時(shí)，可以分解為很多三角形勾勒。
[0022]優(yōu)選的是，所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，所述外方位元素包括相機(jī)中心位置、XYZ三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角，所述內(nèi)方位元素包括相機(jī)的焦距、底片大小、成像扭曲畸變參數(shù)。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:
[0024]第一、整個(gè)建模過(guò)程，用戶操作少、作業(yè)效率高，用戶只需在三維地形空間中對(duì)著建模目標(biāo)建筑位置雙擊一下鼠標(biāo)，系統(tǒng)即可查找出目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的所有照片并且定位到對(duì)應(yīng)的照片位置；接下來(lái)，只需在照片上做簡(jiǎn)單的二維畫圖，勾勒出建筑每個(gè)面的輪廓多邊形，計(jì)算機(jī)自動(dòng)反算三維空間坐標(biāo)和紋理坐標(biāo)匹配生成三維建筑模型，相對(duì)傳統(tǒng)手工建模比較，效率可提高數(shù)倍以上；
[0025]第二、對(duì)作業(yè)人員專業(yè)技術(shù)要求低，不需要經(jīng)過(guò)3D建模專業(yè)培訓(xùn)，只要學(xué)習(xí)過(guò)建模相關(guān)知識(shí)，即時(shí)可以上崗作業(yè)；幾乎所有的操作都是在二維圖片上完成，操作步驟少、簡(jiǎn)易方便。
[0026]本發(fā)明所述建立方法對(duì)操作人員專業(yè)技術(shù)水平要求低、操作少，整個(gè)流程生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)期短，得到的模型精度高、與地形高度吻合、視覺效果好，能夠有效真實(shí)地反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0028]本發(fā)明提供一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一、對(duì)地形進(jìn)行航空傾斜拍攝，獲得一系列照片以及每張照片的外方位元素(相機(jī)中心位置、XYZ三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角)和內(nèi)方位元素(相機(jī)的焦距、底片大小、成像扭曲畸變參數(shù))，在內(nèi)存中還原每張照片的虛擬相機(jī)模型；
[0030]步驟二、在三維地形場(chǎng)景中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要三維建模的目標(biāo)建筑的第一頂點(diǎn)，由鼠標(biāo)投影射線與地表求交，可以計(jì)算得到所述第一頂點(diǎn)的粗略三維空間坐標(biāo)；
[0031]步驟三、將步驟二得到的粗略三維空間坐標(biāo)在步驟一獲得的所有照片的虛擬相機(jī)模型中投影，并計(jì)算在每張照片中的投影坐標(biāo)，選擇投影坐標(biāo)落在底片范圍內(nèi)的所有照片，并分別標(biāo)記對(duì)應(yīng)的投影位置，即像素點(diǎn)；
[0032]步驟四、在步驟三得到的照片中，可以計(jì)算從拍攝照片的相機(jī)位置到對(duì)應(yīng)照片的所有像素點(diǎn)的射線簇，在所述的射線簇中，每條射線對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，即為該射線對(duì)應(yīng)的核占.ν ，
[0033]步驟五、選擇第一相機(jī)位置點(diǎn)拍攝的所述目標(biāo)建筑的一張目標(biāo)照片，得到所述目標(biāo)照片的虛擬相機(jī)模型，取所述目標(biāo)照片上的一個(gè)像素在所述虛擬相機(jī)模型中進(jìn)行投影計(jì)算，落在底片上的投影點(diǎn)，標(biāo)記為第一投影點(diǎn)，連接所述第一相機(jī)位置點(diǎn)和所述第一投影點(diǎn)得到第一射線，第一射線對(duì)應(yīng)的第一像素點(diǎn)，標(biāo)記為第一核點(diǎn)；
[0034]步驟六、截取所述第一射線在所述目標(biāo)建筑的高程值范圍內(nèi)的部分，得到第一核點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間線段，標(biāo)記為第一核點(diǎn)空間線段，將所述第一核點(diǎn)空間線段在步驟三得到的所有照片上投影，得到多條核線；
[0035]步驟七、選取所述第一核點(diǎn)一定范圍內(nèi)的像素，計(jì)算顏色梯度差，形成所述第一核點(diǎn)的像素匹配模板，在所述多條核線中的任意一條核線上移動(dòng)匹配模板，尋找梯度差最接近的點(diǎn)作為像素同名點(diǎn)；
[0036]步驟八、通過(guò)所述像素同名點(diǎn)所在照片的相機(jī)信息和照片信息，反算得到拍攝所述像素同名點(diǎn)的第二相機(jī)位置點(diǎn)出發(fā)到所述像素同名點(diǎn)的一條射線，標(biāo)記為第二射線；
[0037]步驟九、計(jì)算所述第一射線和所述第二射線的交點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，即為所述第一頂點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)；
[0038]步驟十、重復(fù)步驟七至步驟九，分別對(duì)所述步驟六得到的多條核線處理，得到所述第一頂點(diǎn)的多個(gè)三維空間坐標(biāo)，進(jìn)行去除噪聲、平差擬合處理得到所述第一頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)；
[0039]步驟十一、在步驟三得到所有照片中，挑選拍攝有目標(biāo)建筑的視覺較好的照片，用多邊形勾勒出所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面的輪廓，所述目標(biāo)建筑的平面為弧形平面時(shí)，可以分解為很多三角形勾勒；
[0040]步驟十二、重復(fù)步驟二至步驟十，分別對(duì)步驟十一勾勒的所述目標(biāo)建筑的每個(gè)頂點(diǎn)處理，計(jì)算所述目標(biāo)建筑的所有頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)，得到這些頂點(diǎn)構(gòu)成的平面對(duì)應(yīng)的紋理圖片三維坐標(biāo)；
[0041]步驟十三、對(duì)步驟十一勾勒的多邊形封閉區(qū)域提取對(duì)應(yīng)的像素，并存儲(chǔ)為新圖片作為所述目標(biāo)建筑的紋理資源，以此方法將每棟建筑的紋理資源與三維空間的多邊形合成獨(dú)立的模型。
[0042]在上述技術(shù)方案中，即可實(shí)現(xiàn)模型的建立，但要對(duì)每個(gè)平面的每個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算像素同名點(diǎn)會(huì)造成工作量大，效率低下等弊端，故在一個(gè)新的方案中，所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面挑選三個(gè)距離較遠(yuǎn)的像素點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)所述三個(gè)像素點(diǎn)分別尋找像素同名點(diǎn)，并計(jì)算其三維空間坐標(biāo)，確定唯一的三維空間平面。因?yàn)樵诠蠢斩噙呅蔚臅r(shí)候用戶已經(jīng)假設(shè)所有點(diǎn)都是在同一個(gè)平面內(nèi)，所以其余的點(diǎn)可以直接用射線與空間平面相交計(jì)算得到三維空間坐標(biāo)，減少像素同名點(diǎn)匹配計(jì)算的次數(shù)，可以有效提高計(jì)算效率。
[0043]盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、對(duì)地形進(jìn)行航空傾斜拍攝，獲得一系列照片以及每張照片的外方位元素和內(nèi)方位元素，在內(nèi)存中還原每張照片的虛擬相機(jī)模型； 步驟二、在三維地形場(chǎng)景中，鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要三維建模的目標(biāo)建筑的第一頂點(diǎn)，由鼠標(biāo)投影射線與地表求交，可以計(jì)算得到所述第一頂點(diǎn)的粗略三維空間坐標(biāo)； 步驟三、將步驟二得到的粗略三維空間坐標(biāo)在步驟一獲得的所有照片的虛擬相機(jī)模型中投影，并計(jì)算在每張照片中的投影坐標(biāo)，選擇投影坐標(biāo)落在底片范圍內(nèi)的所有照片，并分別標(biāo)記對(duì)應(yīng)的投影位置，即像素點(diǎn)； 步驟四、在步驟三得到的照片中，可以計(jì)算從拍攝照片的相機(jī)位置到對(duì)應(yīng)照片的所有像素點(diǎn)的射線簇，在所述的射線簇中，每條射線對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，即為該射線對(duì)應(yīng)的核點(diǎn)；步驟五、選擇第一相機(jī)位置點(diǎn)拍攝的所述目標(biāo)建筑的一張目標(biāo)照片，得到所述目標(biāo)照片的虛擬相機(jī)模型，取所述目標(biāo)照片上的一個(gè)像素在所述虛擬相機(jī)模型中進(jìn)行投影計(jì)算，落在底片上的投影點(diǎn)，標(biāo)記為第一投影點(diǎn)，連接所述第一相機(jī)位置點(diǎn)和所述第一投影點(diǎn)得到第一射線，第一射線對(duì)應(yīng)的第一像素點(diǎn)，標(biāo)記為第一核點(diǎn)； 步驟六、截取所述第一射線在所述目標(biāo)建筑的高程值范圍內(nèi)的部分，得到第一核點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間線段，標(biāo)記為第一核點(diǎn)空間線段，將所述第一核點(diǎn)空間線段在步驟三得到的所有照片上投影，得到多條核線； 步驟七、選取所述第一核點(diǎn)一定范圍內(nèi)的像素，計(jì)算顏色梯度差，形成所述第一核點(diǎn)的像素匹配模板，在所述多條核線中的任意一條核線上移動(dòng)匹配模板，尋找梯度差最接近的點(diǎn)作為像素同名點(diǎn)； 步驟八、通過(guò)所述像素同名點(diǎn)所在照片的相機(jī)信息和照片信息，反算得到拍攝所述像素同名點(diǎn)的第二相機(jī)位置點(diǎn)出發(fā)到所述像素同名點(diǎn)的一條射線，標(biāo)記為第二射線； 步驟九、計(jì)算所述第一射線和所述第二射線的交點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，即為所述第一頂點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)； 步驟十、重復(fù)步驟七至步驟九，分別對(duì)所述步驟六得到的多條核線處理，得到所述第一頂點(diǎn)的多個(gè)三維空間坐標(biāo)，進(jìn)行去除噪聲、平差擬合處理得到所述第一頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)； 步驟十一、在步驟三得到所有照片中，挑選拍攝有目標(biāo)建筑的視覺較好的照片，用多邊形勾勒出所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面的輪廓； 步驟十二、重復(fù)步驟二至步驟十，分別對(duì)步驟十一勾勒的所述目標(biāo)建筑的每個(gè)頂點(diǎn)處理，計(jì)算所述目標(biāo)建筑的所有頂點(diǎn)的精確三維空間坐標(biāo)，得到這些頂點(diǎn)構(gòu)成的平面對(duì)應(yīng)的紋理圖片二維坐標(biāo)； 步驟十三、對(duì)步驟十一勾勒的多邊形封閉區(qū)域提取對(duì)應(yīng)的像素，并存儲(chǔ)為新圖片作為所述目標(biāo)建筑的紋理資源，以此方法將每棟建筑的紋理資源與三維空間的多邊形合成獨(dú)立的模型。
2.如權(quán)利要求1所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，所述目標(biāo)建筑的每個(gè)平面挑選三個(gè)距離較遠(yuǎn)的像素點(diǎn)作為控制點(diǎn)，對(duì)所述三個(gè)像素點(diǎn)分別尋找像素同名點(diǎn)，并計(jì)算其三維空間坐標(biāo)，確定唯一的三維空間平面。
3.如權(quán)利要求1所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，步驟十一中，所述目標(biāo)建筑的平面為弧形平面時(shí)，可以分解為很多三角形勾勒。
4.如權(quán)利要求1所述的對(duì)航空傾斜拍攝的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，所述外方位元素包括相機(jī)中心位置、XYZ三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)角，所述內(nèi)方位元素包括相機(jī)的焦距、底片大小、成像扭曲畸變參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06T17/05GK104463969SQ201410745898
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】韋喆, 潘樹青, 彭越, 陳正偉, 韋心意 申請(qǐng)人:南寧市界圍工程咨詢有限公司