董繼宏

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

近年來，隨著相機重量減輕、相機分辨率提高、無人機續(xù)航時間增加、定位精度不斷提高等[1-3]，無人機攝影測量發(fā)展速度迅速提升，無人機攝影測量技術(shù)已經(jīng)與生活息息相關(guān)。比如國土調(diào)查項目、農(nóng)經(jīng)權(quán)項目、國土資源普查項目、房屋立面改造項目、農(nóng)村房地一體登記頒證項目、實景三維中國項目等，都采用了攝影測量技術(shù)[4-7]，而且攝影方式由垂直攝影變?yōu)閮A斜攝影，獲取的影像分辨率更高、影像質(zhì)量更高。然而傾斜攝影一般要求航向、旁向重疊度為80%，航飛高度一般在千米之下，通常搭載5鏡頭獲取影像數(shù)據(jù)[8-9]。這樣一來，獲取的影像較傳統(tǒng)垂直攝影來說，不但數(shù)量增加了很多，而且角度也是非常大的，這為數(shù)據(jù)解算帶來了挑戰(zhàn)[10]。本文在分析了傾斜攝影的特點后，對參與解算的數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，然后以實際生產(chǎn)項目為例，采用Mirauge3D 軟件進行空三解算和實景三維模型生產(chǎn)。利用檢測點對模型精度進行檢測，結(jié)果表明：采用本文的方法，首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后進行空三解算，不但在一定程度上提升了空三解算的效率，而且空三解算的成功率也有了一定的提升，并且基于該空三生產(chǎn)的模型精度可以達到4.5cm，可以滿足1:500 地形圖生產(chǎn)需求，為大比例尺地形圖生產(chǎn)提供了切實可行的方案。

1 傾斜攝影技術(shù)概述

主要從傾斜攝影的概念和原理、建模流程和軟件進行簡單介紹。

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影是指在飛行平臺上掛載多鏡頭相機，從空中對地面進行多角度、全方位、高分辨率影像數(shù)據(jù)采集。飛行平臺通常是有人機、無人機等，目前主要以無人機為主。多鏡頭相機主要有2 鏡頭搖擺相機、3 鏡頭相機、5 鏡頭相機甚至更多鏡頭，這里以5 鏡頭為例對多鏡頭的組成進行講解。5 鏡頭相機由1 個下視相機和4 個側(cè)視相機，通常側(cè)視相機與下視相機夾角為45度。航空攝影測量中，相機焦距、飛機飛行的相對航高、相機的像元大小和地面影像分辨率滿足以下關(guān)系：

H=f*GSD/a（1）

其中，H 是相對航高，即飛機距離地面的高度，在航線規(guī)劃時已經(jīng)規(guī)劃好的，單位為m；f 是相機焦距，在相機選擇后，其焦距基本上是一個定值，單位為mm；GSD 是獲取的影像地面分辨率，該值主要根據(jù)項目要求進行設(shè)置，單位為m；a 是像元大小，相機選擇后，該值不會再發(fā)生改變，單位為mm。通過式（1）可以看出，當(dāng)相機被選定后，即f 和a 是固定值，地面影像的分辨率GSD 只和相對航高H 有關(guān)。在傾斜攝影時，當(dāng)下視鏡頭完全垂直于地面，記其航高為H下，則側(cè)視鏡頭與地面呈45 度夾角。由直角三角形可知，此時側(cè)視鏡頭中心到側(cè)視影像中心的距離H側(cè)為H下的1.4 倍，而航高和地面分辨率在數(shù)值上成正相關(guān)，這樣一來，H側(cè)獲取的影像分辨率在數(shù)值上是H下的1.4 倍。當(dāng)要獲取1.5cm 的下視影像時，如果側(cè)視焦距和下視焦距相同，則獲取的影像分辨率是2.1cm，無法滿足需求，因此需要對焦距進行調(diào)整。假設(shè)下視焦距是35mm，通過式（1）可知，將側(cè)視焦距調(diào)整至50mm，這樣就可以獲取分辨率一致的影像。

1.2 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模主要包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)，外業(yè)工作內(nèi)容有：測區(qū)的勘察與資料收集、航線規(guī)劃、像控點點位選址與噴涂、像控點測量、無人機航空攝影任務(wù)實施、航攝質(zhì)量檢查、成果整理與提交；內(nèi)業(yè)工作內(nèi)容有：對外業(yè)提交的成果進行整理備份、數(shù)據(jù)預(yù)處理、工程創(chuàng)建與完善、空中三角測量解算、像控點轉(zhuǎn)刺與平差、實景三維模型生產(chǎn)等，其主要流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程

1.3 傾斜攝影建模軟件

傾斜攝影建模軟件是針對傾斜攝影數(shù)據(jù)解算而開發(fā)的軟件，目前常見的有ContextCapture、Photo Mesh、PhotoScan、瞰景Smart3D、大疆智圖、dp-Smart、Mirauge3D 等。在本文中，將使用Mirauge3D 軟件進行空三解算和實景三維模型的生產(chǎn)。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在分析了傾斜攝影的特點后，針對傾斜攝影數(shù)據(jù)，提出以下幾方面的優(yōu)化。

2.1 降低參與運算的影像數(shù)量

傾斜攝影因為是5 鏡頭，且重疊度高，因此其影像冗余度很大。通過分析可知，當(dāng)垂直鏡頭能夠覆蓋任務(wù)區(qū)邊緣時，存在某個鏡頭拍攝的影像在任務(wù)區(qū)范圍線外，這樣的影像對后期數(shù)據(jù)建模是無用的，因此這類影像是沒必要使用的。通過分析航向和5 鏡頭之間的相對關(guān)系，可以很容易得到任務(wù)線范圍外的影像，對這部分影像進行剔除，可以降低影像冗余度，提高數(shù)據(jù)的解算速度。

2.2 解決POS 與影像不對應(yīng)的問題

傳統(tǒng)的垂直攝影測量，一張有效影像對應(yīng)一個有效POS，在傾斜攝影中，增加了側(cè)視鏡頭，但并沒增加記錄側(cè)視鏡頭的POS 裝置，這樣使得POS 和影像無法一一對應(yīng)。在傾斜攝影中，記錄的1 組POS 是下視鏡頭的POS。在數(shù)據(jù)解算的過程中，利用下視POS 來代替?zhèn)纫曠R頭的POS，雖然下視POS 和側(cè)視鏡頭的真實POS 相差不大，但是畢竟不準確，對后期數(shù)據(jù)解算的成功率和精度都有一定的影響。以下視鏡頭POS 和平臺檢校參數(shù)可以解算得到側(cè)視鏡頭對應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)。通過利用Matlab語言進行代碼編寫，對POS 數(shù)據(jù)進行解算，得到側(cè)視影像對應(yīng)的唯一坐標值。

2.3 均衡影像質(zhì)量

由于5 鏡頭進光角度和進光量不同，所以5 鏡頭影像一般都存在一定的色差，這為后期數(shù)據(jù)的準確解算帶來了影響。在分析了5 鏡頭影像的特點后，采用PhotoShop 軟件，對每個鏡頭的某一幅地物豐富、對比度高的影像進行參數(shù)調(diào)整，使其不同波段的值盡量符合正態(tài)分布，然后將調(diào)整的參數(shù)記錄下來。通過創(chuàng)建動作，對其余影像進行自動批處理，從而提升影像的質(zhì)量，圖2 是處理前的RGB 的色階分布圖，圖3 是處理后的RGB色階分布圖。通過圖2 和圖3 可以看出，在對影像進行一系列參數(shù)調(diào)整后，其色階圖有了明顯的變化，調(diào)整后的色階圖更符合正態(tài)分布。

圖2 處理前的RGB 色階分布圖

圖3 處理后的色階分布圖

3 實際案例

3.1 測區(qū)勘察與資料收集

本次實驗數(shù)據(jù)來源于河湖確權(quán)項目，長約15km，寬約100m，測區(qū)地形起伏較大。已有數(shù)據(jù)為國土三調(diào)遙感影像數(shù)據(jù)，主要用來作為工作底圖。

3.2 像控點布設(shè)與采集

由于是帶狀區(qū)域，且寬度才100 米，采用對稱式布點，明顯需要布設(shè)加密點多，因此在布點時，采用兩側(cè)交叉布點的方案。所謂交叉布點，就是指兩側(cè)點位的連線與范圍線的長邊夾角基本上呈一個小的銳角或者一個大的鈍角，而不是在90 度左右。按照1km 一個點，交叉共布設(shè)32 個像控點，在精度薄弱區(qū)域布設(shè)10 個檢測點。采用GPS-RTK 進行像控點坐標采集，在采集前，采用紅白油漆進行點位噴涂，如圖4 所示，然后儀器對中整平，當(dāng)狀態(tài)為“固定解”時進行采集，每個點位采集5 次，然后取均值作為最終的測量成果。

圖4 噴涂的像控點點位標志

3.3 航線規(guī)劃

使用地面站軟件對航線進行規(guī)劃，設(shè)置航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%，確保在距離地面近地點處獲得的影像能夠滿足航飛重疊度要求。影像地面分辨率最低為5cm，最高為3.5cm，沿著河流走向進行航線敷設(shè)。因為河流寬度較窄，所以只規(guī)劃了3 條航線，這樣在保證作業(yè)效率的前提下，也保證了數(shù)據(jù)解算的成功率，因為一條或2 條航線在空三解算時，失敗率非常高。

3.4 影像數(shù)據(jù)獲取

航線規(guī)劃好后，將任務(wù)上傳給飛行控制中心，飛行控制中心根據(jù)上傳的任務(wù)進行影像數(shù)據(jù)采集。在無人機正式起飛前，需要對無人機進行檢查，主要對安裝固定、電池電量和儲存卡是否能夠正常讀寫進行檢查，在確保一切滿足航飛要求后進行升空采集影像。在采集的過程中，時刻通過地面站對航飛狀態(tài)進行觀察，確保飛行狀態(tài)時刻是受控的。在影像數(shù)據(jù)獲取后，對影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行快速檢查，確保航飛提交到內(nèi)業(yè)的成果是可正常使用解算的。

3.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括剔除冗余無效影像、解決POS 不對應(yīng)問題和提升影像質(zhì)量。在本次作業(yè)中，剔除了1452 張影像，剔除率約為15%。利用Matlab 編寫開發(fā)小程序，對POS 不對應(yīng)問題進行處理。以下視鏡頭為標準，結(jié)合相機檢校平臺，對側(cè)視鏡頭POS 進行解算，解算后所有影像都有唯一的POS 與之對應(yīng)。利用PhotoShop 軟件對影像進行統(tǒng)一調(diào)色，提升影像整體質(zhì)量。

3.6 空三解算

為了驗證本文的預(yù)處理環(huán)節(jié)對后續(xù)的空三解算有效，在本次數(shù)據(jù)解算環(huán)節(jié)，用預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)進行空三解算，結(jié)果如下：3.6.1 利用Mirauge3D 軟件對預(yù)處理前的數(shù)據(jù)進行空三解算，解算耗時14h，通過人機交互方式對空三成果進行查看，空三呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，解算報告中加密點重投影中誤差為0.61pixel，雖然沒有超限，但是空三彎曲，理論上來說，成果是不可用的。當(dāng)然，這種情況有時可通過控制點進行平差糾正。3.6.2 利用Mirauge3D 軟件對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行空三解算，解算耗時11.3h，通過人機交互方式查看空三成果，空三成果基本上符合實際地形，且POS 基本上在一個平面上，符合航攝狀態(tài)，空三成果可用。查看空三解算報告可知，其加密點重投影中誤差為0.48pixel，精度滿足相關(guān)規(guī)范要求，且比處理前的空三精度略高。

3.7 像控點轉(zhuǎn)刺平差

對上述兩個空三成果均進行像控點和檢測點的轉(zhuǎn)刺，轉(zhuǎn)刺原則按照能看見的，不被遮擋的均進行轉(zhuǎn)刺，然后進行平差，平差結(jié)果如下：3.7.1 預(yù)處理前的空三通過平差后，其狀態(tài)由曲變平，空三成果可用，平差耗時1.2h，平差后的像控點精度為0.021m，檢測點精度為0.045m，成果均滿足規(guī)范要求。3.7.2 預(yù)處理后的空三平差完成后，其耗時0.7h，平差后的像控點精度為0.013m，檢測點精度為0.027m，成果均滿足規(guī)范要求。較3.7.1的結(jié)果，其空三精度高，轉(zhuǎn)刺像控點、檢查點、平差均耗時短，所以表明預(yù)處理提升了空三的平差效率和空三成果精度。

3.8 三維模型制作

基于3.7 中平差后的空三成果進行模型生產(chǎn)，結(jié)合電腦配置，設(shè)置相同的框架坐標系統(tǒng)、瓦片大小和原點坐標，導(dǎo)入同一任務(wù)區(qū)范圍線進行模型生產(chǎn)。通過對建模時間進行統(tǒng)計，②較①建模耗時減少了10%，對于小面積來說，相差不大，但是對于大面積數(shù)據(jù)建模，這個比例是非?？捎^的。通過人機交互的方式對模型進行查看，特別是范圍線邊緣的模型。從模型精細度、結(jié)構(gòu)、紋理等方面進行查看，兩個空三生產(chǎn)的模型基本上相同，表明剔除影像并沒有對建模效果帶來影響。

4 精度統(tǒng)計與分析

采用10 個檢測點對兩組最終的模型成果精度進行人機交互式檢測，檢測結(jié)果如表1。

表1 檢測點精度檢測統(tǒng)計表單位：cm

采用平均值來代替中誤差，對表1 結(jié)果進行計算，①的模型中誤差為5.3cm，②的模型中誤差為4.5cm，兩組模型精度均能夠滿足1:500 地形圖精度需求，但是整體來說，②的精度更高，成果更可靠，也表明通過預(yù)處理，提升了后期模型的精度。

5 模型存在的問題及解決方案

本次生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要是河流，因此存在一個主要的問題是模型水域存在空洞，紋理未映射上，如圖5 所示。

圖5 模型水域部分成果圖

通過圖5 可以看出，模型破損主要位于水域部分，這是因為水域?qū)儆谔卣鞑幻黠@區(qū)域，也就是通常說的弱紋理區(qū)域。因為水面非常相似，即使提出少量的特征點，在后期平差糾正的時候，也會因為相似度極高，而被作為錯誤點進行剔除，使得水域部分加密點極少，甚至沒有加密點。

針對上述問題，提出以下兩種修補水面的方案：

5.1 利用范圍線進行約束建模

首先生產(chǎn)得到水域模型，然后在測圖軟件中，采集得到水域的邊界線和高程，然后通過格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為建模軟件認可的kml 文件，最后將該文件導(dǎo)入建模軟件中，對水域部分進行約束建模。

5.2 借助修模軟件進行修模

利用武漢天際航的DP 或智覺空間的SVS 進行水域部分模型的修補。首先刪除水域邊界線內(nèi)破損的模型，然后對空洞進行填充。通過空三成果，對水域部分的紋理進行自動映射，當(dāng)映射效果不能滿足要求時，采集需要修改的區(qū)域，聯(lián)動PS 軟件進行紋理貼圖的修飾，最后重新映射至模型上，這樣就可以得到符合要求的水域模型了。

結(jié)束語

本文首先結(jié)合傾斜攝影的特點，對影像進行了一系列的預(yù)處理，然后采用對比分析的方法，對預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)分別進行空三解算和模型生產(chǎn)，結(jié)果表明：通過預(yù)處理，數(shù)據(jù)解算效率、空三解算通過率和成果精度均有了一定的提升，且模型質(zhì)量并沒有降低。對于空三解算效率低、空三通過率低、建模效率低等問題均有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，可以為同行作業(yè)人員提供有效參考，提升傾斜數(shù)據(jù)解算質(zhì)量。