劉帥兵，景海濤

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

近景攝影測量作為測繪學(xué)的分支，在一些傳統(tǒng)測繪工作輔助測量方面發(fā)揮著作用。非接觸性的近景攝影與傳統(tǒng)測量工作相比，只需要少量的控制點即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理工作，可以在短時間內(nèi)獲取目標(biāo)地物大量的幾何信息與物理信息，給測繪工作帶來新的測量方法。隨著多基線近景攝影測量的研究深入，使得非量測數(shù)碼相機(jī)在近景攝影測量中實現(xiàn)了越來越廣的應(yīng)用，測量成本逐步降低、自動化程度提升明顯、工作效率大大提高。多基線近景攝影測量可獲取高精度的影像，彌補(bǔ)傳統(tǒng)航測的缺陷，減少成本縮短作業(yè)周期，可以實現(xiàn)更高效的攝影測量[1]。多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)很大程度上改變了傳統(tǒng)近景攝影手工測量的方式，使近景攝影測量技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，是一項應(yīng)用前景廣闊的測量新技術(shù)[2]。

本研究區(qū)別于傳統(tǒng)多基線近景攝影測量，如袁清洌、吳學(xué)群[1]等學(xué)者的研究，依靠遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)測繪所需要的測量控制點，布設(shè)三等測量控制網(wǎng)，采用高精度控制測量的方式進(jìn)行量測，將影像控制點的精度誤差控制在毫米級。利用多基線數(shù)字?jǐn)z影測量的方法，生成測區(qū)數(shù)字模型如點云數(shù)據(jù)及三維景觀圖，成圖效率較高、精度可靠。依靠多基線數(shù)字近景攝影測量自動化系統(tǒng)Lensphoto，可在短時間內(nèi)對普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，降低了攝影對于硬件的需求，同時由于所需控制點的減少，所需要的攝站數(shù)也隨之減少。在一些諸如懸崖等垂直角大，測繪人員難以企及的特殊測區(qū)，可以只對一些影像上的特征地物進(jìn)行特征點的標(biāo)定，提高了工作的效率，實現(xiàn)快速成圖、簡單拍攝、全自動化內(nèi)業(yè)處理，在極短時間內(nèi)得到所需要的生產(chǎn)成果。

1 Lensphoto系統(tǒng)測繪原理

1.1 Lensphoto系統(tǒng)簡介

Lensphoto系統(tǒng)的原理是利用計算機(jī)多目視覺來代替人眼的雙目視覺以測定影像的同名像點，通過影像間同名點進(jìn)行匹配的，并利用少量外業(yè)測量的影像控制點進(jìn)行航帶的絕對定向，在重疊影像之間通過前方交會求解待定點的坐標(biāo)，有利于提高影像解算的精度和可靠性，相對于傳統(tǒng)雙目視覺中物點由兩條光線交會擴(kuò)展到多條光束交會，增加多余觀測次數(shù)，消除了單基線立體像對重建三維空間的問題[3]。短基線、大影像重疊度相鄰光束所構(gòu)成的交會角較小，有利于提高自動匹配的精度，首尾光束構(gòu)成的交會角有利于提高物點的解算精度[4]。

Lensphoto系統(tǒng)利用非量測數(shù)碼相機(jī)來獲取多基線影像，然后利用近景多片影像匹配算法的原理，獲取大量的同名特征點，完成從自動空三測量到測繪各種不同比例尺的線劃地形圖的生產(chǎn)，以及對普通數(shù)碼相機(jī)采集的影像資料進(jìn)行快速精密三維重建[5]。通過拍攝多組相片，應(yīng)用Lensphoto系統(tǒng)按多基線近景攝影測量的方法解算，可以進(jìn)行小區(qū)域大比例尺測圖，得到點云圖、數(shù)字線劃圖等成果[1]。Lensphoto系統(tǒng)在技術(shù)上與傳統(tǒng)近景攝影測量相比較有很多技術(shù)創(chuàng)新點。它把多基線攝影方法引入到了近景攝影測量中，同時引入了新的旋轉(zhuǎn)多基線攝影方法獲取影像數(shù)據(jù)，并且還引入了全新的影像匹配的算法，有效地解決了被攝地物在空間位置分布不連續(xù)或有斷裂和遮擋的復(fù)雜影像，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的依靠人眼視覺轉(zhuǎn)到真正依靠計算機(jī)視覺自動化處理的跨越。它還將自動空中三角測量與區(qū)域網(wǎng)平差引入到近景攝影測量，使得多基線近景攝影測量有了很高的精度以及自動化程度，使近景攝影測量發(fā)生了飛躍式發(fā)展[6-7]。

1.2 多基線平行攝影與多基線匹配

近景攝影測量中基本攝影方式有正直攝影方式和交向攝影方式，本次試驗采用交向攝影的方式。在攝影時，像片對兩像片的主光軸大體位于同一平面但彼此不平行，且不垂直于攝影基線，在特定的安排下，兩主光軸可以相交于一點，其角度成為交向攝影的交匯角。用點投影系數(shù)方法計算像點的物方空間坐標(biāo)[8-9]。接著利用光束法前方交會把待定點的像點坐標(biāo)作為觀測值進(jìn)行求解，并挨個逐點通過迭代解算最終可以求得待定點的物方空間坐標(biāo)值[10-11]。

平行多基線攝影測量與傳統(tǒng)近景攝影測量的方法一致，在攝影時保證各個影像相片的主光軸彼此平行，基于此種方式，可以較為簡單的進(jìn)行測區(qū)的拍攝以及航帶的布置。在進(jìn)行平行多基線攝影時候，要保證影像之間的重疊度至少在2/3以上，并且同一攝站的影像也最好不要超過9張。在遇到一些測區(qū)較大的情況時，利用平行攝影的方式可以較為方便的對整個測區(qū)進(jìn)行測量工作, 拍攝以及航帶的布置如圖1所示。

圖1 “航帶網(wǎng)”攝影的方式

1.3 多基線旋轉(zhuǎn)攝影與多基線匹配

旋轉(zhuǎn)多基線數(shù)字近景攝影測量將區(qū)域網(wǎng)三角測量應(yīng)用在近景攝影測量上，通過旋轉(zhuǎn)多基線攝影方式提高了近景攝影測量交會精度，解決在近景測量中遇到大交會角時，自動化匹配難以實現(xiàn)的問題，突破了單模型和非量測數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行直接線性變換求解影像的外方位元素的工作技術(shù)流程。

旋轉(zhuǎn)多基線近景攝影測量所用相機(jī)一般為非量測單反數(shù)碼相機(jī)，像幅都很小，攝影原理如圖2所示。通過增加攝影的基線長度，保證影像之間有3°以上的重疊，確保測區(qū)自由網(wǎng)能夠順利建立。但隨著攝影基線及交會角的情況增加，使得所拍影像間的變形明顯，降低影像匹配的正確率、可靠性，甚至?xí)?dǎo)致影像的匹配失敗的解惑[12]。因此，制定測區(qū)攝影測量方案，設(shè)計合理的攝影角度以及攝站位置的選取尤其重要。

圖2 旋轉(zhuǎn)攝影拍攝原理

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集方法上，相較于袁清冽，吳學(xué)群[1]學(xué)者影像控制點布設(shè)方式數(shù)量少(14個)，測區(qū)范圍大(30張影像)，本研究采用全站儀實行控制測量，快速采集高精度的測量控制點(40個)，采用旋轉(zhuǎn)攝影的方式攝影(5張影像)，在小型區(qū)域進(jìn)行TIN模型的建立，影像匹配重疊度高(4°重疊度)，提高了內(nèi)業(yè)影像匹配的精度。

以某人工湖泊為實驗區(qū)，利用城鎮(zhèn)一級導(dǎo)線點，布設(shè)三等測量控制網(wǎng)，采用ES-600G型全站儀進(jìn)行測區(qū)控制點的量測，導(dǎo)線閉合差為(+0.003，-0.002)符合測量精度要求。采用數(shù)碼相機(jī)Canon 450D進(jìn)行測區(qū)影像控制點的采集，在測量控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上布設(shè)了40個影像控制點，提高內(nèi)業(yè)影像匹配精度采用手持棱鏡碎部測量的方式進(jìn)行量測。

進(jìn)行攝影前，在像控點上設(shè)置A4紙打印的攝影人工標(biāo)志，人工標(biāo)志見圖3，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時見圖4，影像控制點的實際效果圖。實驗采用多基線旋轉(zhuǎn)攝影的方式進(jìn)行地物信息的采集，在測區(qū)對面4層建筑平臺，設(shè)立單基站進(jìn)行地物信息的采集。

圖3 紙質(zhì)A4人工繪制

圖4 影像上的實際效果

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1)相機(jī)檢校：預(yù)設(shè)的格網(wǎng)影像保存，以*.GrdInfo的格式輸出，利用Lensphoto系統(tǒng)自帶的相機(jī)檢校模塊進(jìn)行自動處理。相機(jī)焦距為無限遠(yuǎn)，模式為手動變焦，計算機(jī)液晶顯示屏調(diào)整為出廠分辨率，設(shè)置格網(wǎng)大小，手持相機(jī)在計算機(jī)屏幕前方空間的五個方向交向攝影五幅格網(wǎng)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相機(jī)校準(zhǔn)，得到相機(jī)參數(shù)文件，圖5為相機(jī)檢校影像。

圖5 相機(jī)檢校圖

2)空三匹配：添加一個航帶(見圖6)，將含有測區(qū)信息的航片信息數(shù)據(jù)以及相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入到lensphoto系統(tǒng)之中，進(jìn)行影像畸變改正、基礎(chǔ)空三匹配，在相鄰的兩張影像上，進(jìn)行同名像點的選取，經(jīng)過各個模型的檢查與校準(zhǔn)，最后完成全自動匹配。

由于測量數(shù)據(jù)是在全站儀中得到的，無法獲取 *.ctl (Lensphoto軟件可以識別的控制點文件)文件，可以將全站儀中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出之后進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。

3)空三交互：空三交互的主要功能在于對控制點的量測以及對空三匹配結(jié)果的編輯修改等。在實驗中系統(tǒng)會自動進(jìn)行金字塔影像的生成，之后加載匹配結(jié)果，影像匹配圖中可以清晰地看到連接點的分布圖見圖7，接著進(jìn)行測區(qū)控制點影像匹配。

圖6 新建航帶模型

圖7 空三匹配后顯示立體像對間匹配的同名像點

4)光束法平差：利用光束平差的原理，精確解算模型點空間坐標(biāo)以及測區(qū)內(nèi)所有影像外方位元素，同時進(jìn)行自檢校，內(nèi)業(yè)處理時，相同影像重疊度同名像點的影像匹配過程見圖8。

圖8 測區(qū)控制點影像匹配

5)加密匹配生成點云圖：加密匹配只有在整體平差成功后進(jìn)行，基本操作與空三匹配相同，整個流程皆為軟件自行處理，地形的點云模型見圖9。

從圖9中，可以明顯的看到測區(qū)地貌的大致輪廓，這可進(jìn)行后續(xù)處理，為成像覆蓋等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。處理數(shù)據(jù)的過程中，會出現(xiàn)無效區(qū)域點云數(shù)據(jù)，需要在點云編輯界面進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的刪減，最終通過影像覆蓋，得到TIN景觀圖，如圖10所示。

圖9 地形點云圖

圖10 TIN景觀圖

3 精度分析

3.1 分析結(jié)果

測區(qū)影像控制點采用《GB/T 7930-2008 1∶500航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范評定標(biāo)準(zhǔn)》，影像控制點的平面中誤差與高程中誤差都不應(yīng)大于表1中所顯示的各地形等級下的測量規(guī)范。

表1 高程注記點和等高線的高程中誤差 m

注：隱蔽和困難的測區(qū)，可以將上表的規(guī)定放寬到1.5倍。

相對于基礎(chǔ)控制點的實際位置，像控點的中誤差不應(yīng)大于0.2 m；像控點的高程中誤差不應(yīng)像控點高程中誤差規(guī)范(見表2)。

表2 像控點的高程中誤差 m

實驗所得部分影像控制點平差后的精度，平差過后的精度統(tǒng)計如表3所示。

對平差報告文件進(jìn)行分析之后，平面中誤差：RMSxy=0.028 8 m，高程中誤差：RMSz=0.023 1 m，可以滿足三等地形的測量規(guī)范精度要求。

3.2 精度探究

本研究利用城鎮(zhèn)一級導(dǎo)線點，采用高精度控制測量的方式進(jìn)行影像控制點與連接點的選取，使得控制點與連接點的坐標(biāo)誤差控制在毫米級，增加了影像匹配精度。結(jié)合測區(qū)表面概況，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行一步步的剔除， 使得點云模型表面盡可能的光滑平整。相較與袁清洌，吳學(xué)群[4]等學(xué)者的研究，本研究測區(qū)范圍偏小(30 m×10 m)，影像布設(shè)的控制點數(shù)量多(40個點)，分布密集，大大提高了影像匹配的精度。同時將影像重疊度控制在60%以上，在一些重疊度高的區(qū)域有4張影像的重疊，進(jìn)一步提高了影像配準(zhǔn)的精度，得到了高精度的TIN景觀圖。

表3 控制點平差精度表 m

4 結(jié) 論

本研究采用數(shù)字近景攝影測量的方式進(jìn)行地形測量，在外業(yè)中布設(shè)三等測量控制網(wǎng)，利用人工標(biāo)示，在測區(qū)布設(shè)了影像控制點，采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行量測，通過Lensphoto系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化處理，最終實驗區(qū)地形測量大比例尺地形圖與DEM(Digital Elevation Model)模型制作的應(yīng)用研究成果達(dá)到預(yù)期效果。

本研究采用多基線平行攝影與旋轉(zhuǎn)攝影兩種方式進(jìn)行，平行攝影選取5個攝影基站，攝取5張像片，精度分析顯示平行攝影方式采集的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在豎直方向上的變形要大于旋轉(zhuǎn)攝影的數(shù)據(jù)采集方式。因此，旋轉(zhuǎn)攝影方式在小區(qū)域性研究時更有利于滿足快速生產(chǎn)的需要。