熊輝

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510000)

1 引 言

在城市快速發(fā)展的今天，全面掌握建筑物要素的信息對于城市發(fā)展的規(guī)劃決策至關(guān)重要[1]。傾斜攝影測量是國際攝影測量領(lǐng)域近十年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[2～5]，相比于傳統(tǒng)的測量方法，具有數(shù)據(jù)獲取更高效、現(xiàn)勢性更強的優(yōu)勢，已成為城市建筑物要素摸查應(yīng)用的主要信息獲取手段。

傾斜攝影系統(tǒng)一般是由無人機、傾斜相機、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等部分組成，傳統(tǒng)的傾斜相機使用1個垂直相機和4個傾斜相機從5個不同視角同步采集影像，能夠獲取到豐富的建筑物頂面和側(cè)面的高分辨率紋理信息。傾斜攝影測量技術(shù)能夠借助先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生產(chǎn)真實的城市三維模型；同時，通過配套軟件的應(yīng)用，能夠直接基于成果影像、三維模型進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測，擴展了傾斜攝影技術(shù)在測繪行業(yè)中的應(yīng)用。在傾斜攝影系統(tǒng)中，傾斜相機采集影像的質(zhì)量很大程度上決定了后期生產(chǎn)的3DMesh、DSM、DOM、DEM等產(chǎn)品的質(zhì)量效果，許多研究人員對傾斜相機的各類性能進行了研究[6～10]。當(dāng)前，傾斜相機已由最初單一的五相機發(fā)展到雙相機、三相機等多種類型結(jié)構(gòu)和用途的傾斜相機，并且各類新研發(fā)的相機在重量、質(zhì)量、功能方面都取得了巨大的進步。

盡管傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用較廣，但是對于城市建筑物要素摸查而言，仍未形成一個完整的系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的航空影像而言，傾斜攝影技術(shù)獲取的影像在獲取方式和后期處理中均存在一定差異[11～13]。當(dāng)前，雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)已經(jīng)取得了越來越廣泛的應(yīng)用[14，15]。本文介紹了雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)的構(gòu)成和主要優(yōu)勢，論述了雙相機傾斜攝影在城市建筑物要素摸查應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及工作流程，并針對廣州市黃埔區(qū)某測區(qū)進行了實驗。

2 雙相機傾斜攝影系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)的五相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)是在云臺上搭載1個垂直和4個傾斜角度的相機，傾斜角度大致在30°～50°之間，而雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)的云臺僅加裝2個側(cè)視相機(如圖1所示)。由于相機個數(shù)的減少，雙相機系統(tǒng)可搭載更重的4 200萬像素的全畫幅高清航拍相機，實現(xiàn)小于0.7 s每組照片的高速連拍，同時在負(fù)載作業(yè)時間上也有較大的提升，負(fù)載作業(yè)時間大于 40 min。在效率方面，雙相機系統(tǒng)和傳統(tǒng)五相機系統(tǒng)的對比如表1所示。

圖1 雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)

五相機與兩相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)對比 表1

2.2 雙相機傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

雙相機傾斜攝影作業(yè)流程主要包括：像控點布設(shè)、航線規(guī)劃、外業(yè)傾斜影像采集、內(nèi)業(yè)傾斜影像處理，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集任務(wù)由雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)在完成相控點布設(shè)和航線規(guī)劃以后進行采集，內(nèi)容主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)、GPS/IMU初始位姿數(shù)據(jù)與像控點圖面坐標(biāo)；數(shù)據(jù)處理任務(wù)則由內(nèi)頁處理完成和實現(xiàn)，處理過程主要包括多視影像特征提取與匹配、多視影像光束法平差、多視影像密集匹配、構(gòu)網(wǎng)與紋理映射四個部分。

圖2 雙相機傾斜攝影技術(shù)流程

數(shù)據(jù)的處理是實現(xiàn)數(shù)據(jù)由原始的影像數(shù)據(jù)向可用產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹和分析。

(1)多視影像特征提取與匹配

傾斜攝影影像通常比航空下視影像數(shù)據(jù)量大，且由于影像采集視角多元，存在變形不一致、比例尺不一致的情況，保證大量影像數(shù)據(jù)快速特征提取與準(zhǔn)確匹配是傾斜攝影技術(shù)的關(guān)鍵。目前主流的做法主要通過CPU、GPU加速輔助SIFT算法進行快速特征提取，添加約束條件進行準(zhǔn)確匹配。在生產(chǎn)過程中，通常先進行自動連接點匹配，針對飛行區(qū)域不規(guī)則、控制點稀少等情況，可以通過手動添加匹配連接點來提高整體連接點匹配的精度，以及飛行區(qū)域的整體性。

(2)多視影像光束法平差

提高傾斜攝影影像的匹配點精度可得到較好的多視影像光束法平差結(jié)果，由于多視影像數(shù)據(jù)視角多元、結(jié)合變形多元，且存在側(cè)視遮擋問題，因此除通過光束法平差解算傾斜影像的位姿，除附加投影差最小的約束外，還可結(jié)合傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)采集的GPS/IMU數(shù)據(jù)、手動添加的連接點、約束條件、增加控制點輔助進行區(qū)域網(wǎng)平差，通過多種約束條件進行優(yōu)化，解求多視傾斜影像位姿最優(yōu)解。

(3)多視影像密集匹配

密集匹配是在恢復(fù)影像位姿數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行的，多視影像中下視影像可獲取清晰的地面紋理與建筑物天面紋理，側(cè)視數(shù)據(jù)可獲得清晰的建筑物側(cè)面紋理，傾斜攝影無人機采集的多視影像分辨率高，數(shù)據(jù)量大，如何快速進行同名點匹配，獲取同名點坐標(biāo)，提取地物點的三維坐標(biāo)，是多視影像密集匹配的核心。密集匹配通常借助核線將二維同名點搜索變?yōu)橐痪S搜索，并結(jié)合計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的新探索挖掘密集匹配的效率和準(zhǔn)確度，并引入并行算法，提高解算效率。

(4)構(gòu)網(wǎng)與紋理映射

多視影像密集匹配可根據(jù)影像的彩色信息生成三維地物點的彩色點云，能更加逼真地實現(xiàn)目標(biāo)物數(shù)字地面模型(DEM)或數(shù)字表面模型(DSM)的獲取以及模型的建立；通過點云數(shù)據(jù)進行泊松構(gòu)網(wǎng)，并結(jié)合相機的透視投影關(guān)系，可以獲取到三維模型表面和傾斜影像區(qū)域的一一對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合網(wǎng)格平面參數(shù)化的結(jié)果，可以從三維模型的實拍傾斜影像中生成出參數(shù)化平面的紋理。紋理映射過程中，對一些拍攝角度較好的影像，均產(chǎn)生了一張紋理地圖集，最終的紋理地圖集需要從多幅多角度的圖像融合得來。為了在保持紋理的分辨率和色彩還原度的基礎(chǔ)之上，減少不同圖像間的灰度值差異，使合成后的紋理在過渡處保持平滑，采用多分辨率樣條法進行紋理融合。

2.3 雙相機傾斜攝影應(yīng)用于建筑物要素摸查的主要任務(wù)

建筑物要素摸查的主要信息包括建筑棟數(shù)、建筑面積、占地面積、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)。由于無人機快速獲取的三維模型具備現(xiàn)勢性強、可視性強、可量測的優(yōu)勢，因此利用傾斜攝影技術(shù)進行城市建筑物要素信息摸查值得探索?；谌S模型進行建筑物要素摸查的技術(shù)包括地形圖房屋面巡圖、現(xiàn)狀房屋面繪制、建筑物要素入庫、建筑量統(tǒng)計。

(1)地形圖房屋面巡圖

在建筑物要素現(xiàn)狀摸查中，地形圖房屋面巡圖即將地形圖房屋面與三維模型套合，將現(xiàn)狀建筑物與已有房屋面進行對比，保留吻合部分，去除已變化部分。

(2)現(xiàn)狀房屋面繪制

已變化部分的建筑物需要重新進行房屋面繪制，該步驟在清華山維EPS軟件中完成，主要按照豎直分層面切分進行房屋面繪制，并附加房屋屬性如建筑面積、占地面積、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)。同時進行建筑物棟號自動生成。構(gòu)筑房屋面后，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫mdb文件。

(3)建筑量統(tǒng)計

建筑物要素摸查還可快速獲取測區(qū)范圍內(nèi)的建筑物棟數(shù)、總占地面積、總建筑面積，為城市更新改造提供經(jīng)濟測算依據(jù)。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

本文所研究的實驗測區(qū)位于廣州市黃埔區(qū)，如圖3所示。測區(qū)面積約 5 km2，區(qū)塊形狀為不規(guī)則多邊形，多處內(nèi)凹，由多塊密集的建成區(qū)散亂分布形成，西北-東南方向、西南-東北方向各有一條城市道路，其他部分為丘陵、農(nóng)田、植被等，其中需要摸查的建筑物要素面積約 1.5 km2。測繪要素分布跨度大且較為零散，采用傳統(tǒng)測量方法耗時長，成本高，現(xiàn)勢性低，而應(yīng)用雙相機傾斜攝影技術(shù)可提高作業(yè)效率，現(xiàn)勢性強，同時能夠節(jié)約成本。項目采用南方無人機ZR-66B雙鏡頭傾斜攝影無人飛行系統(tǒng)采集傾斜影像數(shù)據(jù)，Skyline公司的Photomesh軟件進行空中三角測量及全自動三維建模，建筑物要素摸查采用清華山維EPS軟件。

圖3 測區(qū)范圍界線

3.2 航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)建筑物要素摸查的范圍設(shè)計飛行范圍，進行航線規(guī)劃，設(shè)置航飛影像航向重疊度75%，旁向重疊度60%，飛行高度約 300 m，地面分辨率 4 cm。考慮到測區(qū)為不規(guī)則多邊形，航向方向設(shè)計無法按照單一走向方法進行布設(shè)，為實現(xiàn)效率、質(zhì)量與成本的最佳耦合，需根據(jù)多邊形形狀走向分區(qū)塊設(shè)置航向，并保證不同區(qū)塊間具備足夠重疊度。測區(qū)邊緣尤其在內(nèi)凹區(qū)域，建筑物建模通常容易出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，需外擴 300 m。實施方案中共布設(shè)了15個架次獲取兩相機傾斜影像數(shù)據(jù)，單景傾斜影像數(shù)據(jù)為 4 200萬像素，共采集 6 680張影像，內(nèi)存為 228 G影像，相機焦距為 35 mm，像元大小為 4.5 μm。測區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)了35個控制點，具體分布如圖4所示。

圖4 測區(qū)控制點布設(shè)方案

3.3 自動建模

在Photomesh中新建工程，整理雙相機的內(nèi)方位元素數(shù)據(jù)、6 680張傾斜影像數(shù)據(jù)及對應(yīng)的外方位元素POS數(shù)據(jù)，進行多視影像特征提取與匹配、光束法平差獲取測區(qū)空中三角測量成果，根據(jù)空三解算結(jié)果進行密集匹配，生成密集點云，通過構(gòu)網(wǎng)與自動紋理映射，最終獲取得到測區(qū)三維傾斜模型，如圖5所示。

圖5 測區(qū)實景三維模型

3.4 建筑物要素摸查

采用EPS新建工程，加載三維模型、正射影像與現(xiàn)有地形圖，基于傾斜實景模型現(xiàn)狀在測區(qū)內(nèi)首先進行巡圖，刪除現(xiàn)狀發(fā)生變化的建筑物要素，并重新繪制，賦予層數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性。測區(qū)范圍內(nèi)所有建筑物要素摸查結(jié)束后，統(tǒng)一進行棟號自動生成，將成果導(dǎo)出為mdb格式的圖斑數(shù)據(jù)，僅保留建筑物要素的棟號、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、占地面積、建筑面積字段屬性，流程圖如圖6所示，成果如圖7所示。

圖6 建筑物要素摸查技術(shù)流程

圖7測區(qū)建筑物要素摸查成果數(shù)據(jù)

4 總 結(jié)

雙相機傾斜攝影技術(shù)具有快速獲取傾斜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，可獲得接近五相機傾斜攝影技術(shù)自動建模的效果。同時，相機數(shù)量的減少使得雙相機系統(tǒng)能夠搭載更高像素的相機，一方面提高傾斜影像數(shù)據(jù)采集的分辨率和質(zhì)量，另一方面可增加航高，提高單個架次覆蓋面積，提高作業(yè)效率。在城市更新中進行快速建筑物要素摸查，使用雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)能夠為更新改造方案提供第一手的經(jīng)濟測算數(shù)據(jù)，同時留存現(xiàn)勢性三維模型、正射影像數(shù)據(jù)服務(wù)于技術(shù)方案設(shè)計，節(jié)省方案底層模型、底層影像搭建時間成本。

目前，雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)得到了較為廣泛的推廣，在建筑物要素摸查方面，可快速獲取測區(qū)范圍內(nèi)建筑物要素，并進行建筑量統(tǒng)計。同時，在實際應(yīng)用中該技術(shù)也存在一些問題：

(1)建筑物遮擋問題：需進行建筑物要素快速摸查的測區(qū)一般為密集城中村，房子高度較低，在植物茂密的南方城市如廣州，存在較多的低矮建筑物被樹木遮擋的現(xiàn)象，如該建筑物現(xiàn)狀已改變，在進行重新繪制時，由于未進行現(xiàn)場調(diào)繪，容易存在較大偏差。另一方面，建筑物與建筑物之間過于密集時，建筑物結(jié)構(gòu)、層數(shù)易發(fā)生誤判，繪制難度大。測區(qū)范圍內(nèi)遮擋率較大時，建筑物要素摸查統(tǒng)計數(shù)據(jù)與真實情況易產(chǎn)生較大偏差。

(2)航線規(guī)劃問題：需進行建筑要素摸查的測區(qū)一般只關(guān)注建筑物要素，建筑物要素通常散亂分布，導(dǎo)致測區(qū)形狀極不規(guī)則，空中三角測量難度增大，需合理進行航線規(guī)劃，協(xié)調(diào)作業(yè)效率、成本與技術(shù)難度，使三者得到平衡。

本文通過雙相機傾斜攝影無人機飛行系統(tǒng)，采集傾斜影像進行自動建模，將其應(yīng)用于建筑物現(xiàn)狀摸查中，提高了作業(yè)效率，論證了該技術(shù)方案的可行性，同時也發(fā)現(xiàn)該技術(shù)方案仍存在問題需要克服，在后續(xù)推廣應(yīng)用中該技術(shù)方案將得到不斷完善與深層次的應(yīng)用。