耿浩然 胡青峰 龔天浩

摘 要：針對傳統(tǒng)攝影測量視場死角的問題，指出傾斜攝影測量能較好地顧及建筑物側面紋理信息，為三維模型建立提供了一種高效的方法。本文以鄭州某校區(qū)為例，借助專業(yè)的傾斜攝影三維建模軟件，成功構建出該校區(qū)的三維模型。通過在模型上進行一系列量測工作，并與實際踏勘數據對比，驗證模型的精度。研究顯示：在像控點約束的情況下，傾斜攝影測量建模不但能直觀反映真實場景中地物分布狀況，而且精度完全能滿足日常生產需求。

關鍵詞：傾斜攝影;三維建模;控制點;模型精度

中圖分類號：TU198文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0013-03

Abstract： Aiming at the problem of blind angle of conventional photogrammetry， it is pointed out that oblique photogrammetry can better take into account the texture information of building side， which provides an efficient method for the establishment of 3D model. Taking a campus in Zhengzhou as an example， this paper successfully constructed a 3D model of the school district with the help of professional oblique photography 3D modeling software. Through a series of measurements on the model， and compared with the actual survey data， the model accuracy was verified. The research shows that under the condition of image control point constraints， the oblique photogrammetric modeling can not only directly reflect the distribution of ground objects in the real scene， but also fully meet the daily production requirements.

Keywords： oblique photography;three-dimensional modeling;the control points;model accuracy

攝影測量一經問世，便引起人們濃厚的研究興趣，其發(fā)展經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量和數字攝影測量三個階段。傾斜攝影測量起步相對較晚，發(fā)展于20世紀90年代左右。這種采用傾斜方式采集數據的技術，不僅具有覆蓋范圍大、分辨率高的特點，而且所有多視影像數據經過聯(lián)合平差后可以較好地顧及遮擋關系，克服傳統(tǒng)攝影測量的局限。

1 傾斜攝影測量技術

1.1 傾斜攝影測量的原理

如果某一影像在拍攝過程中，相機主光軸是有一定傾角的（傾角[β]大于5°），那我們就把該相片稱作傾斜影像?；趦A斜影像的定義，傾斜攝影測量是通過搭載在同一飛行平臺上的多個傳感器，同時同步地對地物側向、前方、后方和垂直方向進行拍攝，獲取多視角高分辨率影像，并結合定位定向系統(tǒng)（ Position & Orientation System，POS ）采集的外方位元素及地面控制點相關數據，經過處理生成立體三維模型，最大限度地還原真實場景[1]。

1.2 系統(tǒng)組成

傾斜攝影測量是集POS系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)為一體的測量技術，包含地面控制部分和空中飛行部分[2]。其中，POS是一款用于姿態(tài)測量的系統(tǒng)，由慣性測量（IMU）和GPS差分技術兩個單元構成，用來感知飛行器瞬時時刻的速度與姿態(tài)，為相片提供高精度的外方位元素解值。數據采集系統(tǒng)則通過CCD航射儀記錄光線的變化形成數字圖像，有效限制氣象及地形對獲取高分辨率影像的影響。其不需要膠片，免掃描，減少了信息存儲成本。由于CCD采用感光的影像采集方式，與人眼生理功能相近，因此，其更易于辨識。

1.3 傾斜攝影測量特點

傾斜攝影數據采集效率高、周期短、成本低;能從不同角度采集地物的影像，彌補了垂直攝影圖像失真的不足之處，真實反映周邊地物情況;借助專業(yè)數據處理軟件，能批量化輸出具有可量測性的數字產品;適用范圍廣，性價比高。與傳統(tǒng)攝影測量相比，傾斜攝影測量由于影片傾斜，導致影像各處的比例尺不一致;影像絕大部分會重疊，冗余度高，拖慢處理速度。這就對傾斜攝影的數據處理方法提出了更高的要求[3]。

2 基于有像控傾斜攝影測量的三維模型生成

2.1 技術路線

傾斜攝影測量技術路線如圖1所示。傾斜攝影測量的關鍵技術包括影像預處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像匹配以及高密度點云生成和紋理數據的映射等?？紤]到后期輸出數據的質量，在實際測量工作中，要求同條航線不同相片之間的航向重疊度應在60%～80%，最小不低于53%;不同航線之間的旁向重疊度在15%～60%，最小不低于8%。對傾斜攝影來說，由于影像傾斜的特殊原因，對重疊度的要求也會隨之上升。在建筑稀疏地區(qū)，通常要求為70%;在密集區(qū)域時，可適當調高至80%;如果條件苛刻，重疊率甚至可達90%[4]。

2.2 研究區(qū)域概況

本實驗選取的實驗區(qū)域為鄭州市某校區(qū)，具體如圖2所示，圖中粗線為施測區(qū)域，細線為航飛路線。該區(qū)域內建筑物具有可以用來識別的明顯特征，并且地形平坦，適合利用傾斜攝影進行三維模型構建。區(qū)域的南北距離約為549 m，東西距離約為730 m，面積約為407 661.60 m2。本次實驗在測區(qū)內一共設置了10條航線，在西邊建筑密集區(qū)航線密度大，在東邊建筑稀疏區(qū)域航線密度可相應減小。

2.3 三維建模

本次建模采用實景建模軟件ContextCapture。該軟件不僅操作界面簡潔，而且以優(yōu)異的性能受到人們的青睞。在測繪行業(yè)的攝影測量領域，都是依靠ContextCapture來實現三維模型構建的。其中，負責空三解算的ContextCapture Engine是整個軟件的核心。

與攝影測量建模相比，傾斜攝影測量的傳感器在飛行平臺上從多方位同時拍攝影像，能較好地反映物體側面紋理信息。目前，基于傾斜攝影的三維建模技術的主要流程如下[5-8]。

第一，數據預處理。把采集到的影像進行畸變差改正與勻光勻色等一系列相關處理，確保相片質量合格。

第二，建立工程項目，導入數據。對多視影像進行區(qū)域網的聯(lián)合平差，獲取更高精度的外方位元素、加密點的位置信息及更好的同名像點匹配結果。在已知影像外方位元素的情況下，對影像進行密集匹配，獲取高密度點云，如圖3所示。

第三，根據高密度點云數據，生成區(qū)域不規(guī)則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN），將三維模型白膜疊加到TIN格網上，如圖4所示。

第四，對TIN格網進行紋理映射，建立實景三維模型，如圖5所示。

2.4 模型精度評價

為直觀地體現模型的精度，抓取模型中籃球場的長度與寬度分別為27.9 m和15 m，如圖6所示。經過實地踏勘，該場地長、寬平均值分別為28 m和15 m，模型測量結果與實際距離十分接近。

控制點在測量中能約束控制誤差積累，其精度要高于其余模型點。借助控制點這一特性，在本次實驗中根據給出的控制點坐標求出兩點間實際距離，然后與圖上抓取相應的兩點距離進行對比，結果如表1所示。

由表1數據可知：模型上控制點距離平均值為128.19 m，與實際距離相差3 cm，相對中誤差K=2.34×10-5。

3 結論

本文利用ContextCapture軟件，對鄭州市某校區(qū)提出了基于有像控傾斜攝影測量的三維建模方法。結果證實，利用該方法生成的模型具有較好的精度，能夠真實地反映周邊地物的情況。模型生成過程自動化程度高，提高了工作速度，降低了人工成本，完全能滿足日常生產需求。但是，由于數據缺失和目標地物特殊的光反射性質，模型仍會出現空洞現象、紋理變形、細節(jié)模糊的問題，影響模型精度，這些問題還需要進一步研究。

參考文獻：

[1]譚金石，黃正忠.基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模及精度評估[J].現代測繪，2015（5）：21-24.

[2]胡文慶.傾斜攝影測量三維重建在城市規(guī)劃管理中的應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2016：11.

[3]吳征宇，馮成武.基于無人機傾斜攝影的城市三維建模方法研究[J].科技資訊，2017（26）：55-56.

[4]顧廣杰，張坤鵬，劉志超，等.淺談無人機傾斜攝影測量技術標準[J].測繪通報，2017（S1）：210-213.

[5]馬永剛.傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].世界有色金屬，2019（24）：210-211.

[6]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016（1）：13-15，18.

[7]周杰.傾斜攝影測量在實景三維建模中的關鍵技術研究[D].昆明：昆明理工大學，2017：42-43.

[8]曹帥帥.無人機傾斜攝影測量三維建模的應用試驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2017：16-18.