王壯壯 李沛鴻 周成杰

(江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

0 引言

隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,尤其是無人機(jī)科技、計算機(jī)視覺、相機(jī)的迅速發(fā)展,給攝影測量學(xué)科帶來新生。傾斜攝影測量便是這樣的大環(huán)境下應(yīng)運而生,我國傾斜攝影測量開展時間不長,但其發(fā)展迅速,目前,多家測繪單位已經(jīng)開展傾斜攝影測量作業(yè)。傾斜攝影測量一個關(guān)鍵應(yīng)用便是三維建模,三維模型作為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),極大地推動了城市化進(jìn)程[1]。隨著“智慧城市”“數(shù)字城市”概念的提出,三維模型作為其中一個重要環(huán)節(jié)[2-3],具有不可或缺的作用。

三維激光掃描技術(shù)也可以獲取三維模型,而且精度較高,但其適用于小范圍內(nèi)建模,而且建模成本高,過程復(fù)雜,工作效率低。對于本文研究的建模區(qū)域,屬于大場景三維建模,自動化程度高、成本低的傾斜攝影測量更加合適。

本文借助于ContextCapture軟件,利用無人機(jī)拍攝的傾斜影像數(shù)據(jù)[4],進(jìn)行實景三維建模并進(jìn)行精度分析,在建模過程中進(jìn)行測區(qū)提取,針對密集匹配點云結(jié)果出現(xiàn)的問題,提出了一種用戶連接點的添加方案,對實際項目的三維建模具有一定的參考意義。

1 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是在攝影測量的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其改變了傳統(tǒng)攝影測量只能從垂直方向拍攝的局限性,通過多臺傳感器(一般為五鏡頭)從不同的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息,真實地反映地面客觀情況[5]。因此通過傾斜影像生產(chǎn)的三維模型極大的程度上還原了真實世界,并且更符合人眼視覺。裝載有導(dǎo)航定位定向系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)的傾斜攝影系統(tǒng),可在獲取影像的同時測定曝光時刻的航攝儀空間位置和姿態(tài)角[6],提供了詳細(xì)的地理信息,降低了三維建模成本。

傾斜攝影測量特點如下:

(1)無人機(jī)飛行高度相對較低,不僅可以獲取高分辨率的影像,而且多角度相機(jī)組合基本幾乎不存在拍攝不到的場景,可以較全面地獲取地物頂面與側(cè)面的信息。

(2)傾斜攝影測量成本較低,利用無人機(jī)進(jìn)行作業(yè),可以大大減少人力物力投入,并且縮短工作周期[7]。

(3)傾斜攝影測量三維建模自動化程度較高,簡單高效,模型成果精度滿足測繪級精度。

2 傾斜攝影測量三維建模

傾斜攝影測量三維建模主要分為外業(yè)工作以及內(nèi)業(yè)工作。外業(yè)工作包括無人機(jī)采集傾斜影像、野外控制點實測。內(nèi)業(yè)工作包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、根據(jù)拍攝的現(xiàn)場測量位置照片進(jìn)行像片刺點、然后提交空中三角測量、空中三角測量合格后提交三維建模生產(chǎn)。在此過程中,軟件將完成密集匹配點云、生成不規(guī)則三角網(wǎng)、自動紋理映射等步驟[8]。傾斜攝影測量三維建模技術(shù)流程圖如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量三維建模技術(shù)流程圖

3 工程應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本次測區(qū)為江西省南昌市某地區(qū),坐標(biāo)系為2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。飛行前要做好準(zhǔn)備工作,包括劃定飛行范圍,設(shè)計航線,布設(shè)像控點,像控點測量等。本次飛行作業(yè)無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)設(shè)備及技術(shù)指標(biāo)

測區(qū)作業(yè)無人機(jī)是垂直起降固定翼無人機(jī),航高為168 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為75%,拍攝五組影像數(shù)據(jù),共計8 045張影像。

像控點實測利用江西省連續(xù)運行衛(wèi)星定位測量綜合服務(wù)系統(tǒng)連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)進(jìn)行測量坐標(biāo),并拍攝現(xiàn)場測量時控制點位置照片。

3.2 軟件平臺介紹及數(shù)據(jù)預(yù)處理

建模平臺采用Bentley 公司的實景建模軟件ContextCapture,ContextCapture共有五個模塊:Center Master、Center Engine、Viewer、Settings、Cloud Processing Console,是目前處理傾斜攝影測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)之一[9],該軟件平臺具有集群運算功能,即可多臺計算機(jī)為同一工程作業(yè)[10]。

獲取原始數(shù)據(jù)之后,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括控制點數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)?？刂泣c數(shù)據(jù)主要檢查是否存在浮動解,以及重復(fù)觀測數(shù)據(jù)。對于POS數(shù)據(jù),POS數(shù)據(jù)記錄的位置信息是1984年世界大地坐標(biāo)系(WGS-84坐標(biāo)系)坐標(biāo)系下的坐標(biāo),需要將其轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系下。對于傾斜影像數(shù)據(jù)需要整理其文件名稱,由于傾斜攝影會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量,一個架次總影像數(shù)約為一萬張上下,影像名稱通常為DSC開始,如DSC0001,依次向下編號,達(dá)到最大編號后,則重新從DSC0001開始。若對其不重新命名,在ContextCapture(以下簡稱CC)中導(dǎo)入影像組數(shù)據(jù)后,不能對下視,以及其余四視進(jìn)行區(qū)分。因此需要對影像名稱進(jìn)行修改,一般為字母加數(shù)字的組合方式,如后視H0001。

3.3 空中三角測量

攝影測量空三加密是根據(jù)若干均勻分布于區(qū)域內(nèi)的控制點,運用立體測圖技術(shù),計算得到匹配加密點的高程和平面位置[11]。CC進(jìn)行空三作業(yè)時,對以下兩個方面進(jìn)行調(diào)整,可以更加有利于建模的進(jìn)行。

3.3.1測區(qū)提取

將影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入之后,可以在CC中的three-dimensional (3D) view中查看像片位置情況。一般,測區(qū)的像片數(shù)過多時,空三會比較困難,尤其是在挑選像對時出錯,此時可以對測區(qū)進(jìn)行提取。此外,測區(qū)提取也用于只針對某條航帶或某片區(qū)域研究的情況。測區(qū)提取有兩種模式:第一,需要完整的POS數(shù)據(jù),提取給定區(qū)域的像片;第二,僅使用像片的位置,提取位置處于給定區(qū)域的像片。本文以第二種模式為例進(jìn)行測區(qū)提取,原始測區(qū)如圖2所示。首先導(dǎo)出測區(qū)的KML(Keyhole Markup Language)文件,然后導(dǎo)入Arcgis中,轉(zhuǎn)換為shp文件后,通過ArcGIS對其進(jìn)行分析,選擇目標(biāo)區(qū)域,將選擇好的區(qū)域?qū)隚oogle earth中,然后進(jìn)行位置導(dǎo)出,最后在CC中進(jìn)行提取,提取后的子測區(qū)如圖3所示。

圖2 原始測區(qū)

圖3 提取后測區(qū)

3.3.2用戶連接點的添加

空中三角測量結(jié)束后,一方面可以查看空三質(zhì)量報告,另一方面,可以在CC中的3D view中查看密集匹配點云的結(jié)果,在部分場景紋理偏弱,不能很好地進(jìn)行匹配,就會出現(xiàn)升起以及下降的像片,這些像片沒有參與計算,在Photos面板下也可以查看這些沒有參與計算的像片。

添加用戶連接點可以進(jìn)行對其調(diào)節(jié),先選中升起或者下降的像片,然后在Surveys面板下添加用戶連接點,在像片中尋找標(biāo)志性的地物,該地物應(yīng)特征明顯不易移動。經(jīng)實踐得出結(jié)論,升起以及下降部分往往是一個方向的像片,若恰好只對該方向的像片進(jìn)行用戶連接點刺點,則該用戶連接點無效。由于之前已經(jīng)對影像數(shù)據(jù)名稱重新編輯,比較容易區(qū)分五視方向,每個方向僅需要在五六張像片刺點即可,這樣在一定程度上節(jié)約了時間,而且用戶連接點不需要過密,均勻分布在升起以及下降的區(qū)域中即可。用戶連接點完成之后,重新提交空中三角測量,查看密集匹配點云結(jié)果,便可發(fā)現(xiàn)結(jié)果得到改善。

3.4 三維建模

空中三角測量任務(wù)完成后,提交三維建模生產(chǎn)。三維建模的原理是通過影像匹配來獲取密集匹配點云,由匹配的三維點云生成不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network, TIN),得到三維模型(白模),然后將TIN模型的三角面片與對應(yīng)紋理影像自動紋理映射,從而得到三維模型[12]。

在提交三維建模生產(chǎn)之前,需要結(jié)合自身計算機(jī)的情況,根據(jù)預(yù)覽里一項任務(wù)預(yù)計最大隨機(jī)存取存儲器(Random Access Memory, RAM)使用,通過調(diào)整瓦片的大小來進(jìn)行分塊瓦片,確保計算機(jī)正常作業(yè)。然后提交生產(chǎn),選擇生產(chǎn)模型格式,選擇坐標(biāo)系統(tǒng),最后提交建模作業(yè)。三維模型結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 三維模型場景瀏覽

圖5 局部三維模型放大瀏覽

3.5 模型精度分析

通過ContextCapture Viewer打開S3C索引文件的三維模型,使用其測量功能,采取多次量測并求平均值的方式來獲取模型點的坐標(biāo),并與現(xiàn)場實測的坐標(biāo)進(jìn)行對比,計算兩者差值用dX、dY表示。三維模型精度評定表如表2所示。

表2 三維模型精度評定表 單位：cm

計算中誤差以及點位中誤差,參照公式(1)～(3)

(1)

(2)

(3)

式中,n為檢查點個數(shù),代入表中數(shù)據(jù)計算得,mx=1.5,my= 2.3,σ=2.7。

由計算結(jié)果可知,15個檢查點在X方向的中誤差為1.5 cm,在Y方向的中誤差為2.3 cm,點位中誤差為2.7 cm。從精度評定結(jié)果來看,模型精度較高,可以進(jìn)行一些測繪項目的應(yīng)用包括大比例尺地形圖的測繪、立面測量以及國土空間規(guī)劃等等。

4 結(jié)束語

傾斜攝影測量用于實景三維建模已經(jīng)為社會帶來了巨大的收益,而且該行業(yè)的從業(yè)者有增多的趨勢。本文詳細(xì)地闡述了傾斜攝影三維建模的技術(shù)流程,并進(jìn)行了建模過程中的測區(qū)提取研究。測區(qū)提取在針對某條航帶或某片區(qū)域研究,以及應(yīng)對建模場景過大的情況具有參考意義?？罩腥菧y量結(jié)束后,針對密集匹配點云出現(xiàn)的問題,提供了一種用戶連接點的添加方案,對空三結(jié)果具有明顯改善。如今,三維模型的生產(chǎn)已經(jīng)趨近于自動化,生產(chǎn)過程中人工干預(yù)不多,但是直接生產(chǎn)出的模型,存在模型質(zhì)量不高如紋理缺失,空洞,建筑物扭曲、拉花等現(xiàn)象。因此,如何對建模方法以及模型成果進(jìn)行優(yōu)化,使其更加完美地呈現(xiàn)在人們面前,是下一階段的主要內(nèi)容。