李培榮，王春祥,熊 強,史永宏，胡倩偉

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000；2.河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000;3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001；4.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100070)

引用著錄：李培榮，王春祥,熊強，等.傾斜攝影測量教學(xué)模擬系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].測繪工程，2017，26(12)：76-80.

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.12.015

傾斜攝影測量教學(xué)模擬系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

李培榮1，王春祥2,熊 強3,4,史永宏1，胡倩偉4

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030000；2.河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000;3.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454001；4.北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司，北京 100070)

基于航空傾斜攝影測量的生產(chǎn)流程，提出一種傾斜攝影測量教學(xué)模擬系統(tǒng)，并介紹該系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，該系統(tǒng)可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、控制測量、空中三角測量、三維建模到“4D”產(chǎn)品生成的全過程模擬。系統(tǒng)可降低室外航空傾斜攝影測量實習(xí)的成本與風(fēng)險，可進(jìn)行反復(fù)操作，提高學(xué)生對攝影測量的理論認(rèn)知和分析解決問題的能力。

傾斜攝影測量;教學(xué)模擬系統(tǒng);控制測量;空中三角測量;三維模型

目前，國內(nèi)許多院校都開設(shè)了攝影測量學(xué)課程，在課程實習(xí)過程中，由于教學(xué)實踐場地有限和野外航飛成本高，學(xué)生一般無法直接操控儀器獲取數(shù)據(jù)，基本上是利用VirtuoZo和JX4等軟件進(jìn)行一些航空攝影測量數(shù)據(jù)后處理，實現(xiàn)一些相對簡單的功能模塊的使用，導(dǎo)致學(xué)生缺乏實踐操作，對航測作業(yè)的數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理難以形成一個整體認(rèn)識，不利于學(xué)生將攝影測量的理論和實踐相結(jié)合[1-3]。

傳統(tǒng)航空攝影測量的相機主光軸垂直于地面，拍攝的是地面實際物體的正射影像，只能獲取地物頂部信息，無法獲取地物的側(cè)面紋理信息和三維幾何結(jié)構(gòu)信息；傾斜攝影測量通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等多個角度拍攝影像，能夠獲取地物的頂部和側(cè)面信息，更加真實反映地物的實際情況，彌補正射影像的不足[4-5]；通過配套軟件處理傾斜影像，可以量測地物的高度、長度、角度、坡度等屬性；傾斜攝影測量還可以采用先進(jìn)的導(dǎo)航定位技術(shù)提供精確的地理信息，使用戶獲取更逼真、高級的體驗，極大的擴展攝影測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

鑒于傾斜攝影測量的諸多優(yōu)勢，為了讓學(xué)生深入理解傾斜攝影測量的原理和生產(chǎn)流程，許多高校相繼開展傾斜攝影測量教學(xué)實驗課程?？紤]到航空攝影測量拍攝影像單一和高成本的不足，中國測繪科學(xué)研究院下屬的北京四維遠(yuǎn)見公司聯(lián)合國內(nèi)部分高校，結(jié)合實際生產(chǎn)流程，研發(fā)一套傾斜攝影測量模擬實驗系統(tǒng)[6]，可以模擬傾斜攝影測量的全部生產(chǎn)流程，通過配套軟件可以生成沙盤的三維模型，得到的成果精度可以滿足攝影測量規(guī)范要求，而且在沙盤模型中可以進(jìn)行控制測量、地籍測量和地形圖繪制等實習(xí)，通過不斷完善，該系統(tǒng)具有多功能、多應(yīng)用領(lǐng)域的特性[7-10]。

1 傾斜攝影測量模擬系統(tǒng)的設(shè)計

該系統(tǒng)主要由空中軌道、沙盤、攝影裝置、投影裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成。在軌道上安裝五鏡頭傾斜相機，通過控制系統(tǒng)控制相機和軌道運動并同步拍攝不同姿態(tài)的沙盤影像，由投影儀實時顯示影像，并通過控制系統(tǒng)調(diào)整相機感光度、曝光時間和影像的重疊度等。

1.1 空中軌道設(shè)計

該系統(tǒng)的軌道懸置于室內(nèi)，包括3個直線導(dǎo)軌，呈“工”字形排列(見圖1)，直線導(dǎo)軌a和b相互平行，直線導(dǎo)軌c與兩平行導(dǎo)軌a、b垂直相交并形成一坐標(biāo)平面；相機通過步進(jìn)電機在直線導(dǎo)軌c運動并拍攝影像，形成一條航帶，直線導(dǎo)軌c通過步進(jìn)電機在兩平行導(dǎo)軌上移動，形成不同航帶。該“工”字形軌道實現(xiàn)了航空攝影測量飛行航線的模擬，使該模擬系統(tǒng)具有可行性。

圖1 直線軌道設(shè)計

1.2 沙盤設(shè)計

沙盤是該實驗系統(tǒng)中非常重要的組成部分，其特征主要有兩個：

1)模擬真實的地形地貌應(yīng)用于模擬航空攝影，該沙盤必須具有豐富的地形地貌，同時滿足人工踩踏不變形等特點。

2)在沙盤上布設(shè)反射貼片作為控制點，在沙盤四周擺設(shè)全站儀，通過測量沙盤上的反射貼片的坐標(biāo)進(jìn)行控制測量、地形測量等相關(guān)實習(xí)。圖2為實驗室整體效果圖。

圖2 傾斜攝影測量模擬實驗室整體效果圖

1.3 攝影裝置及投影裝置設(shè)計

本系統(tǒng)在直線軌道c上搭載5鏡頭相機，中間相機鏡頭垂直拍攝影像，周圍4個相機分別以一定的前傾、后傾、左傾和右傾角度拍攝影像，通過步進(jìn)電機控制相機在軌道c上移動；本系統(tǒng)配置一臺民基投影儀，具有短焦投影的特征，用于實時顯示影像并檢查影像質(zhì)量，及時調(diào)整相機姿態(tài)和影像的重疊度。

1.4 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由計算機、單片機、步進(jìn)電機、曝光器組成。通過計算機控制單片機，由單片機驅(qū)動步進(jìn)電機并使相機同步曝光，由步進(jìn)電機控制軌道和相機運動。

2 數(shù)據(jù)獲取和處理

該系統(tǒng)通過五鏡頭相機在空中軌道上橫向與縱向運動并同步曝光來獲取原始影像，將原始影像初期處理后在Smart3D中進(jìn)行空三加密，然后進(jìn)行三維建模，可以輸出的產(chǎn)品有點云模型、地形白膜、正射影像(DOM)和數(shù)字線劃圖(DLG)，流程圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程

2.1 航空影像獲取

在拍攝影像之前，需要進(jìn)行檢校相機、設(shè)計航線和布設(shè)控制點。本系統(tǒng)采用的是非量測型數(shù)碼相機，在使用前需要進(jìn)行相機檢校得到相機的畸變參數(shù)，用于影像的畸變差糾正；航線設(shè)計應(yīng)根據(jù)沙盤大小與相對行高來設(shè)置航向與旁向重疊度，一般航向重疊60%、旁向重疊35%，或者航向重疊80%、旁向重疊60%；控制點布設(shè)一般是在沙盤上布設(shè)反射貼片，用全站儀或者測量機器人測量控制點坐標(biāo)。

本文采用國內(nèi)某高校沙盤模型，沙盤尺寸為7 m×5 m，比例尺為1∶260。用五鏡頭傾斜相機拍攝該沙盤的航空影像，其中航向重疊80%，旁向重疊60%，相對行高3 m，相機感光度320，分辨率5 472×3 648。

2.2 影像初期處理

該系統(tǒng)是室內(nèi)模擬航空傾斜攝影測量，數(shù)據(jù)獲取過程不受天氣因素影響，影像無遮擋、漏洞，色彩和亮度基本一致，無需進(jìn)行影像的勻色勻光處理，影像初期處理主要將原始影像進(jìn)行質(zhì)量檢查與整理和畸變差糾正。

2.3 空三加密

Smart3D是一個集合了全球最高端數(shù)字影像、計算機虛擬現(xiàn)實以及計算機幾何圖形算法的全自動高清三維建模軟件，它具有易用性、運算性能高、友好的人機交互界面和硬件兼容性好等特點[11-12]。將初期處理后的影像導(dǎo)入Smart3D中，該軟件可以進(jìn)行自動空三加密，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差自動計算提取影像的特征點，對提取的特征點采用多視角匹配同名點，之后反向計算出每張影像的外方位元素即位置和姿態(tài)角信息，進(jìn)而確定影像間的相對位置關(guān)系[13-15]。在Smart3D中的3D view中可以看到每張影像的相對位置、所有航帶的分布狀況、每張影像覆蓋的地面范圍和空三點的密度等信息。

2.4 三維建模

Smart3D可以快速進(jìn)行傾斜攝影測量三維建模，生成沙盤的三維模型?？杖用芎缶涂梢赃M(jìn)行三維建模，通過空三加密點計算出沙盤不規(guī)則三角網(wǎng)TIN和地形白膜，依據(jù)地形白膜的位置形狀選取最適合的影像進(jìn)行紋理貼圖，最后生成沙盤的實景三維模型[16]。可輸出的三維模型格式主要有*s3c、*osgb、*obj和*dae，如果需要將模型進(jìn)行修改加工，可將*obj格式的三維模型導(dǎo)入第三方軟件(如3D MAX)中進(jìn)行修改，將修改后的模型重新導(dǎo)入Smart3D中進(jìn)行整合后可以生成一個完整的三維模型(見圖4)。

圖4 沙盤三維模型

2.5 成果輸出

由Smart3D生成的沙盤三維模型可以得到沙盤的點云模型(見圖5)和地形白膜(見圖6)；選擇模型重建可以生成每張影像的正攝影像圖，將所有的正攝影像導(dǎo)入ArcGIS中進(jìn)行拼接得到整個沙盤的正攝影像圖(圖7為部分區(qū)域DOM)；利用空三成果在數(shù)字?jǐn)z影測量工作站中建立各個立體模型，采用矢量化跟蹤可以得到模型的數(shù)字線劃圖(DLG)，在CASS中對DLG進(jìn)行標(biāo)記、整飾成圖[17](圖8為部分區(qū)域DLG)。

圖5 點云模型

圖6 地形白膜

圖7 部分區(qū)域DOM

圖8 部分區(qū)域DLG

3 結(jié)束語

傾斜攝影測量是在攝影測量基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，基本原理與攝影測量相同，在教學(xué)實踐過程中，學(xué)生需要有扎實的攝影測量學(xué)理論基礎(chǔ)，通過模擬傾斜攝影測量完成從理論學(xué)習(xí)到實踐應(yīng)用的過程。本文的傾斜攝影測量模擬教學(xué)系統(tǒng)是中國測繪科學(xué)研究院下屬北京四維遠(yuǎn)見公司聯(lián)合國內(nèi)多所高校共同研發(fā)設(shè)計的，包括空中軌道、沙盤、攝影裝置和控制裝置的設(shè)計，通過模擬室外航空傾斜攝影測量，改變傳統(tǒng)攝影測量教學(xué)實驗?zāi)Ｊ剑谏潮P實現(xiàn)三維模型可視化建設(shè)和“4D”產(chǎn)品生產(chǎn)。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1)相對于航空攝影測量，該系統(tǒng)具有低成本、低風(fēng)險和不受時間空間限制的特點；

2)構(gòu)建真實的實踐教學(xué)平臺，實現(xiàn)傾斜攝影測量全流程的真實模擬；

3)解決長期以來測量實驗功能單一、實驗項目之間銜接不暢的問題；

4)解決測繪實踐培養(yǎng)落后于測繪技術(shù)發(fā)展的問題。該系統(tǒng)將計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)融入到測繪科學(xué)技術(shù)中，極大地促進(jìn)了攝影測量學(xué)的發(fā)展，隨著該模擬系統(tǒng)功能的不斷完善，將相繼開展模擬航空LiDAR、室內(nèi)導(dǎo)航定位等新的教學(xué)實踐內(nèi)容，提供易學(xué)、實用的測繪模擬教學(xué)系統(tǒng)，促進(jìn)測繪學(xué)科教學(xué)改革，為培養(yǎng)測繪高端人才打下基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：王文福]

Designandapplicationofobliquephotogrammetryteachingsimulationsystem

LI Peirong1,WANG Chunxiang2,XIONG Qiang3,4,SHI Yonghong1,HU Qianwei4

(1.Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Taiyuan 030000,China;2. Henan College of Surveying and Mapping,Zhengzhou 450000,China ;3.College of Surveying and Mapping and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454001,China;4.Beijing Geo-Vision Tech.Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

The paper puts forward a oblique photogrammetry teaching simulation system based on the production process of oblipuephotogrammetry,and describeds the design and application of this system and realized the full-course simulation from data acquirement, control point surveying, aerotriangulation, 3D modeling and 4D data production, which can reduce the cost and risk of oblique photogrammetry in outdoor and improve the students’ theoretical knowledge and ability of analying and solving problems in oblique photogrammetry.

oblique photogrammetry;teching simulation system;control surveying;aerotriangulation;3D modeling

P23

A

1006-7949(2017)12-0076-05

2017-08-31

山西省交通運輸廳課題(2017-1-33)

李培榮(1973-)，女，副教授.