張懂慶 李智 張繁榮

摘 要：針對(duì)目前傾斜攝影空中三角測(cè)量計(jì)算失敗率高的問(wèn)題，本文總結(jié)了常用的幾種空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化方案。采用Context Capture軟件，以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)為例進(jìn)行優(yōu)化方案的驗(yàn)證，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，采用文中提到的五種方案，可以提高空中三角測(cè)量計(jì)算的成功率，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Context Capture;傾斜攝影;空中三角測(cè)量;空三優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：P23;P217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.049

本文著錄格式：張懂慶，李智，張繁榮.基于Context Capture傾斜攝影空中三角測(cè)量技術(shù)優(yōu)化研究[J].軟件，2021，42（02）：159-162

Optimization of Aerial Triangulation Based on Context Capture Inclination Photography

ZHANG Dongqing1，2， LI Zhi1， ZHANG Fanrong3

（1.First Institute Geological and Mineral Exploration of Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Tianshui? Gansu? 741020; 2. Environmental Damage Forensic Institute of Gansu Geology and Mining Ecological Environment Restoration Design and Research Institute， Tianshui? Gansu? 741020;3. Comprehensive census of gansu coal field geological survey team， Tianshui? Gansu? 741000）

【Abstract】：In view of the high failure rate of aerial triangulation of tilt photography， this paper summarizes several commonly used aerial triangulation optimization schemes. The Context Capture software is used to verify the optimization scheme by taking the actual production project data as an example. Through experiments， it can be seen that the four schemes mentioned in this paper can improve the success rate of air triangulation calculation and improve the data production efficiency， which has certain practical value.

【Key words】：Context Capture;oblique photography;aerial triangulation;aerial triangulation optimization

0 引言

傾斜攝影測(cè)量是指在飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)影像傳感器，從不同角度采集影像，同時(shí)結(jié)合飛行平臺(tái)搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取定位定姿數(shù)據(jù)，用于測(cè)繪產(chǎn)品的制作[1]。常見(jiàn)的五鏡頭傾斜相機(jī)，是由一個(gè)下視，四個(gè)側(cè)視相機(jī)組成，為了使拍攝的影像具有相同的分辨率，下視與側(cè)視相機(jī)夾角呈45°，側(cè)視相機(jī)焦距為下視相機(jī)焦距的倍。傾斜攝影建模是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)[2]，隨著“智慧城市”“農(nóng)村房地一體登記確權(quán)”“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”等國(guó)家大型測(cè)繪項(xiàng)目的啟動(dòng)和開(kāi)展，傾斜攝影建模得到了前所未有的迅速發(fā)展。采用傾斜攝影方式生產(chǎn)的模型具有精度高、紋理真實(shí)、成本低等特點(diǎn)，成為越來(lái)越多企事業(yè)單位生產(chǎn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的主要作業(yè)方式。傾斜攝影建模主要流程包括空中三角測(cè)量、多視影像密集匹配、TIN構(gòu)建、紋理映射和模型格式轉(zhuǎn)換、輸出等[3]。在建模流程中，空中三角測(cè)量直接決定了后續(xù)模型的生產(chǎn)，因此，提高空中三角測(cè)量的成功率是非常有必要的[4]。本文根據(jù)日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了幾種空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化的方案，并采用Context Capture自動(dòng)化建模軟件，以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)為例，對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，采用文中提到的方案，可以提高空中三角測(cè)量計(jì)算的成功率，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。

1 空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化方案

1.1 基于部分影像優(yōu)化內(nèi)方位元素

傾斜相機(jī)都是在已有相機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝的，在運(yùn)輸和改裝過(guò)程中，相機(jī)參數(shù)發(fā)生了變化，并未對(duì)其進(jìn)行檢校，因此得到的相機(jī)參數(shù)并不精確。改善相機(jī)參數(shù)可以精確的還原航攝時(shí)的相機(jī)內(nèi)方位元素，對(duì)提高空中三角測(cè)量的成功率有一定的作用[5]?；诓糠钟跋駜?yōu)化相機(jī)參數(shù)是指通過(guò)導(dǎo)入少量的航攝影像，通過(guò)軟件自動(dòng)進(jìn)行空中三角測(cè)量，計(jì)算出每個(gè)相機(jī)的精確內(nèi)方位元素。然后將精確的內(nèi)方位元素用到所有影像上，提高空中三角測(cè)量的成功率。

1.2基于第三方軟件優(yōu)化外方位元素

目前市面上三維建模軟件有很多，如Context Capture、PhotoScan、Smart3D2019、PhotoMesh、Mirauge3D等，但是每個(gè)軟件都有優(yōu)缺點(diǎn)。如Context Capture空三精度好，模型效果也好，市場(chǎng)占有率高，但是空三通過(guò)率低;Smart3D2019空三質(zhì)量很好，模型效果也非常不錯(cuò)，但是價(jià)格昂貴;Mirauge3D空三通過(guò)率高，但是精度較差，模型效果一般?；诘谌杰浖?yōu)化外方位元素，就是結(jié)合每個(gè)軟件的長(zhǎng)處，優(yōu)化生產(chǎn)方案，提高生產(chǎn)效率。如可用Mirauge3D進(jìn)行第一次空中三角測(cè)量計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果含外方位元素導(dǎo)入Context Capture進(jìn)行第二次空中三角測(cè)量，既可以提高空三的通過(guò)率，也可以提高空三的精度。

1.3基于下視鏡頭和平臺(tái)檢校參數(shù)優(yōu)化側(cè)視鏡頭外方位元素

傾斜相機(jī)由于視場(chǎng)角大導(dǎo)致影像邊緣變形嚴(yán)重，分辨率不統(tǒng)一，目前已有的空中三角測(cè)量算法并不能很好的對(duì)其進(jìn)行解算。目前常用的光束法區(qū)域網(wǎng)平差是在假設(shè)俯仰角和側(cè)滾角為零的數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行展開(kāi)的，在數(shù)學(xué)關(guān)系上不能支持大傾角的傾斜攝影數(shù)據(jù)?；谶@兩點(diǎn)原因，可通過(guò)對(duì)下視鏡頭數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到精確的外方位元素，然后結(jié)合平臺(tái)檢校參數(shù)，計(jì)算得到側(cè)視鏡頭的外方位元素，提高空三通過(guò)率。

1.4不斷調(diào)整空三匹配策略

傾斜攝影建模軟件在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，都會(huì)根據(jù)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)編寫(xiě)不同的代碼來(lái)提高空三的成功率。軟件參數(shù)一般都是默認(rèn)的，這種設(shè)置適合絕大多數(shù)場(chǎng)景，但是對(duì)部分特殊場(chǎng)景，需要不同的參數(shù)設(shè)置來(lái)完成空三的解算。

1.5基于蒙板改變參與運(yùn)算的影像大小

蒙板是通過(guò)兩種顏色來(lái)設(shè)置的，對(duì)于不需要參與運(yùn)算的部分，將對(duì)應(yīng)的像素顏色填充為黑色;對(duì)于參與運(yùn)算的部分，將對(duì)應(yīng)的像素顏色填充為白色。蒙板如果是針對(duì)某一文件夾內(nèi)所有的影像，則需將蒙板和影像放于同一文件夾內(nèi)，且命名為mask.tif。然后新建工程，加載影像，蒙板就會(huì)起作用，這樣蒙板就設(shè)置完成了。

攝影比例尺是基于傳統(tǒng)的垂直影像來(lái)定義的，在地形起伏變化不大的區(qū)域，可以認(rèn)為相機(jī)曝光點(diǎn)距離地面距離是一致的，這樣獲得的影像分辨率也可以認(rèn)為是相同的。影像分辨率和航高之間的關(guān)系式見(jiàn)公式（1）：

GSD=a*h/f? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

結(jié)合傾斜相機(jī)主光軸旋轉(zhuǎn)角度，可以得出傾斜影像中心點(diǎn)、近地點(diǎn)與遠(yuǎn)地點(diǎn)的大致分辨率。設(shè)傾斜影像中心點(diǎn)、近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)分辨率分別為GSDmid、GSDtop、GSDbotton，計(jì)算公式如下（2）：

GSDmid=

GSDtop=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

GSDbottom=

式中，a為CCD單像元大小;h為相對(duì)高度;f為相機(jī)焦距;αγ為傾角;βγ為視場(chǎng)角的一半。

通過(guò)上述公式可以看出，GSD的大小除飛行高度、焦距、像素大小之外，還和相機(jī)的傾角有關(guān)。傾角越大，其遠(yuǎn)點(diǎn)的分辨率越低，近點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)GSD差異也就越大。在影像的邊緣，由于變形大，分辨率差異大，導(dǎo)致空三解算困難，成功率低，因此如果能夠改變影像像幅大小，或者改變有效參與運(yùn)算的影像范圍，就可以提高影像的空三計(jì)算成功率，而且可以提高空三精度。

2項(xiàng)目驗(yàn)證

2.1 Context Capture軟件介紹

Context Capture是美國(guó)Bentley公司的一款軟件，也是目前市場(chǎng)占有率最高的自動(dòng)化建模軟件。該軟件只需導(dǎo)入影像或者視頻數(shù)據(jù)，就可以自動(dòng)完成空三的計(jì)算及模型的生產(chǎn)，效率非常高。軟件主要有三部分組成，分別為Master、Engine和Viewer。Master是主控臺(tái)，提供人機(jī)交互的界面，顯示任務(wù)的進(jìn)程;Engine為運(yùn)算模塊，所有的計(jì)算任務(wù)都由Engine來(lái)完成;Viewer是模型展示的平臺(tái)，通過(guò)Viewer可以查看模型的效果，并在模型上進(jìn)行坐標(biāo)提取、距離量算、面積和土方量計(jì)算等。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)源于河湖確權(quán)項(xiàng)目，測(cè)區(qū)整體呈帶狀，寬約800m，長(zhǎng)約30km，高差約100m，采用旋翼機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)航攝，飛行10架次，地面分辨率3cm，航飛影像62545張，采集像控點(diǎn)35個(gè)。

2.3采用各方案進(jìn)行空三解算優(yōu)化

在利用Context Capture軟件進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)處理時(shí)，空中三角測(cè)量計(jì)算失敗。因此采取以下幾種方案對(duì)空中三角測(cè)量任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，取得了很好的結(jié)果。

（1）基于部分影像優(yōu)化內(nèi)方位元素。在對(duì)10架次影像整體進(jìn)行空三加密時(shí)，空三任務(wù)計(jì)算直接失敗，通過(guò)對(duì)失敗的原因分析發(fā)現(xiàn)是內(nèi)存溢出導(dǎo)致的。按照像控點(diǎn)的分布，對(duì)10架次影像進(jìn)行分塊計(jì)算，分塊的原則是至少包含3個(gè)像控點(diǎn)，這樣才能保證接邊精度，總共分成了8塊。在分塊進(jìn)行空三加密時(shí)，空三結(jié)果出現(xiàn)了分層、呈弧形等現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果查看發(fā)現(xiàn)，相機(jī)報(bào)告中給出的相機(jī)焦距和軟件計(jì)算得到的焦距相差較大，于是開(kāi)始對(duì)相機(jī)進(jìn)行自檢。選取5鏡頭相機(jī)各100張影像整體進(jìn)行空三計(jì)算，得到精確的相機(jī)焦距、像主點(diǎn)偏移值，然后將得到的參數(shù)導(dǎo)入到之前的分塊工程中，空三計(jì)算任務(wù)一次性通過(guò)，空三質(zhì)量好，無(wú)分層，空三質(zhì)量報(bào)告中重投影中誤差介于0.51到0.68個(gè)像之間素。但是在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，接邊處精度較差，數(shù)據(jù)處理麻煩，需要手動(dòng)添加像點(diǎn)和補(bǔ)測(cè)像控點(diǎn)來(lái)完成接邊精度的控制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高。

（2）基于第三方軟件優(yōu)化內(nèi)外方位元素。利用Mirauge3D對(duì)10架次影像整體進(jìn)行空中三角測(cè)量，空三一次性通過(guò)，空三通過(guò)率很高。但是通過(guò)空三報(bào)告查看到重投影中誤差為1.2個(gè)像素，超過(guò)了行業(yè)對(duì)精度的要求，空三成果不可以直接使用。通過(guò)Mirauge3D將10架次影像的外方位元素全部計(jì)算得到，通過(guò)導(dǎo)出可交換格式的xml文件，將得到的外方位元素引入到Context Capture軟件中，再次進(jìn)行常規(guī)空三加密，空三一次性完成。查看空三報(bào)告中的重投影中誤差為0.54個(gè)像素，精度符合要求，成果質(zhì)量好。

（3）基于下視鏡頭和平臺(tái)檢校參數(shù)優(yōu)化側(cè)視鏡頭外方位元素。將10架次影像分成6部分，每部分影像數(shù)一萬(wàn)多，5鏡頭數(shù)據(jù)空三加密失敗，在不改變空三設(shè)置參數(shù)的情況下，刪除側(cè)視鏡頭影像，只提交下視鏡頭影像進(jìn)行空三加密，成果可用。基于平臺(tái)檢校參數(shù)，五鏡頭安裝之間的關(guān)系，結(jié)合成都睿鉑研發(fā)的POS解算軟件，以下視鏡頭外方位元素為標(biāo)準(zhǔn)，解算側(cè)視鏡頭的外方位元素，使每個(gè)鏡頭都有獨(dú)立的POS數(shù)據(jù)，將解算成果導(dǎo)入Context Capture軟件中再次進(jìn)行空三計(jì)算，成果未分層，質(zhì)量報(bào)告中重投影中誤差為0.52個(gè)像素，精度合格，空三質(zhì)量好。

（4）不斷調(diào)整空三匹配策略。通過(guò)更改空三匹配策略可以獲得合格的空三成果。利用默認(rèn)設(shè)置在對(duì)一萬(wàn)多張影像進(jìn)行空三解算時(shí)，空三分層不可用，然后將關(guān)鍵點(diǎn)密度由“常規(guī)”改為“高”，影像組件構(gòu)造模式和光學(xué)屬性評(píng)估模式由“一步”改為“多步”，傾斜和縱橫比由“保持”改為“平差調(diào)整”。設(shè)置完以上參數(shù)后，再次提交空三任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，成果未分層，也未出現(xiàn)弧形，空三質(zhì)量報(bào)告中重投影中誤差為0.61個(gè)像素，精度合格。

（5）基于蒙板改變參與運(yùn)算的影像大小。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，并選取10250張影像進(jìn)行空三解算。首先按照常規(guī)參數(shù)設(shè)置空三選項(xiàng)，輸入（1）中計(jì)算得到的內(nèi)方位元素進(jìn)行空三解算，空三加密完成，通過(guò)人機(jī)交互，空三無(wú)明顯分層、彎曲，成果可用。

在本次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)4組側(cè)視鏡頭影像按照每邊10%的比例進(jìn)行設(shè)置蒙板，對(duì)下視鏡頭不處理。新建工程，導(dǎo)入5組鏡頭影像，并按照常規(guī)參數(shù)設(shè)置空三選項(xiàng)，輸入（1）中計(jì)算得到的內(nèi)方位元素進(jìn)行空三解算，待空三加密完成后，通過(guò)人機(jī)交互，空三無(wú)明顯分層、彎曲，成果可用。

對(duì)兩次空三的相機(jī)標(biāo)定成功數(shù)、運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)、重投影中誤差、加密點(diǎn)中誤差等各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)表1。

同一張影像在兩種空三加密方式下的像點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1所示（左圖無(wú)蒙板，右圖有蒙板）。

通過(guò)對(duì)上表和上圖的分析可以看出，通過(guò)設(shè)置蒙板，不但可以提高空三的運(yùn)算效率，而且相機(jī)標(biāo)定成功數(shù)也會(huì)提高，減少匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)，提高匹配點(diǎn)精度，有助于空三更好地解算。

3結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影是近些年迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，但是空中三角測(cè)量計(jì)算失敗率高限制著該技術(shù)的發(fā)展。本文通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了五種空三優(yōu)化的方案，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)五種方案進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用本文提到的五種優(yōu)化方案，可以有效提高空三解算的成功率，有助于后續(xù)模型的生產(chǎn)，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張奇，徐斌，張冬，等.傾斜攝影測(cè)量三維重建在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用[J].智能城市，2021，7（4）：12-14.

[2] 杜靖.基于傾斜攝影影像的真三維單體化模型精細(xì)建模方案研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[3] 李佩峻.多視航空傾斜影像空三與密集匹配研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[4] 董友強(qiáng).傾斜航空影像提取建筑物關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2019.

[5] 周杰.傾斜攝影測(cè)量在實(shí)景三維建模中的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2017.