[논문 리뷰] Optimized Views Photogrammetry: Precision Analysis and A Large-scale Case Study in Qingdao

Qingquan Li, Wenshuai Yu외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 24.

Remote Sensing and LiDAR Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고도 높은 도시 모델을 활용해 재구성 가능성과 중복을 최소화하는 시점 우선 순서로 비행 경로를 최적화하는 UAV 기반 3D 재구성 기법인 최적화된 시점 포토그램미터리를 제안한다. 전통적인 경사면 포토그램미터리 대비, 혼잡한 도시 지역에서 3–5배 높은 정확도를 달성했으며, 정밀도 분석과 칭더오 도시 규모 사례 연구를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

UAVs have become one of the widely used remote sensing platforms and played a critical role in the construction of smart cities. However, due to the complex environment in urban scenes, secure and accurate data acquisition brings great challenges to 3D modeling and scene updating. Optimal trajectory planning of UAVs and accurate data collection of onboard cameras are non-trivial issues in urban modeling. This study presents the principle of optimized views photogrammetry and verifies its precision and potential in large-scale 3D modeling. Different from oblique photogrammetry, optimized views photogrammetry uses rough models to generate and optimize UAV trajectories, which is achieved through the consideration of model point reconstructability and view point redundancy. Based on the principle of optimized views photogrammetry, this study first conducts a precision analysis of 3D models by using UAV images of optimized views photogrammetry and then executes a large-scale case study in the urban region of Qingdao city, China, to verify its engineering potential. By using GCPs for image orientation precision analysis and TLS (terrestrial laser scanning) point clouds for model quality analysis, experimental results show that optimized views photogrammetry could construct stable image connection networks and could achieve comparable image orientation accuracy. Benefiting from the accurate image acquisition strategy, the quality of mesh models significantly improves, especially for urban areas with serious occlusions, in which 3 to 5 times of higher accuracy has been achieved. Besides, the case study in Qingdao city verifies that optimized views photogrammetry can be a reliable and powerful solution for the large-scale 3D modeling in complex urban scenes.

연구 동기 및 목표

• 왜곡 및 비효율적인 UAV 비행 경로로 인한 데이터 품질 저하와 3D 모델의 불완전성 문제를 해결한다.
• UAV 비행 경로와 이미지 촬영 전략을 최적화하여 대규모 도시 환경에서의 3D 재구성 정밀도와 완전성을 향상시킨다.
• 최적화된 시점 포토그램미터리의 공학적 타당성과 성능을 실제 대규모 도시 3D 모델링 환경에서 입증한다.
• 지상 제어점(GCP)과 터레스터리 레이저 스캐닝(TLS) 포인트 클라우드를 사용하여 최적화된 시점 포토그램미터리와 전통적인 경사면 포토그램미터리의 정확도를 비교한다.

제안 방법

• UAV 비행 경로 계획을 안내하기 위해 도시 환경의 초기 근사 3D 모델을 생성한다.
• 모델 포인트의 재구성 가능성과 시점 중복을 제약 조건으로 삼아 UAV 비행 경로를 최적화한다.
• 밀도 높은 샘플링과 반복적 시점 최적화를 구현하여 충분하고 효과적인 이미지 촬영을 보장한다.
• GCP를 사용해 이미지 정렬을 수행하고, 상대 및 절대 정렬 지표를 통해 정확도를 검증한다.
• 대규모 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 25개 노드로 구성된 컴퓨팅 클러스터를 사용해 3D 재구성을 수행한다.
• 지상 레이저 스캐닝(TLS) 포인트 클라우드와의 비교를 통해 모델 품질을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 시점 포토그램미터리는 복잡한 도시 환경에서 안정적인 이미지 연결 네트워크를 구축할 수 있는가?
• RQ2 최적화된 시점 포토그램미터리의 이미지 정렬 정확도는 전통적인 경사면 포토그램미터리와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 최적화된 시점 포토그램미터리는 혼잡한 도시 지역에서 3D 모델 품질을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 칭더오 사례 연구에서 보여시킨 바와 같이, 최적화된 시점 포토그램미터리는 대규모 도시 3D 모델링에 효과적으로 스케일업 가능한가?
• RQ5 시점 최적화는 고도의 가림 영역에서 메쉬 모델의 완전성과 정확도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최적화된 시점 포토그램미터리는 복잡한 도시 지역에서 안정적인 이미지 연결 네트워크를 성공적으로 구축하여 신뢰할 수 있는 3D 재구성을 가능하게 하였다.
• 이미지 정렬 정확도는 전통적인 경사면 포토그램미터리와 유사했으며, 상대 및 절대 정렬 오차는 수용 가능한 공학 허용 범위 내에 있었다.
• 혼잡한 도시 지역에서는 최적화된 시점 포토그램미터리가 기존 방법 대비 3~5배 높은 정확도를 달성하였다.
• 생성된 3D 메쉬 모델은 건물 외벽 및 저시인 영역에서 특히 세부 사항과 완전성이 크게 향상된 것으로 나타났다.
• 칭더오에서 수행한 대규모 사례 연구는 최적화된 시점 포토그램미터리가 도시 3D 모델링에 신뢰할 수 있고 확장 가능한 솔루션임을 입증하였다.
• 이 방법은 개방된 영역에서는 중복 데이터 수집을 줄였고, 복잡하고 가림이 심한 지역에서는 충분한 관측을 확보하였다.