王鑫

（中國建筑材料與工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏 銀川 750000）

隨著實(shí)景三維中國和房地一體確權(quán)項(xiàng)目的順利推進(jìn)，傾斜攝影測量技術(shù)再次迎來發(fā)展高峰期。目前傾斜攝影測量技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于測繪產(chǎn)品的制作和分析中，比如大比例尺地形圖測繪、精準(zhǔn)土方量計(jì)算、房地一體項(xiàng)目、城市立面街景改造項(xiàng)目、城市規(guī)劃和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與模擬防范項(xiàng)目中等，因此傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速解算是非常重要的。然而在實(shí)際作業(yè)之中可以發(fā)現(xiàn)，目前的傾斜攝影測量軟件，不但作業(yè)效率低，而且空中三角測量極易出現(xiàn)分層、彎曲等問題，導(dǎo)致空三加密成果不可用，嚴(yán)重影響了作業(yè)進(jìn)度，導(dǎo)致作業(yè)成本升高。為了解決空中三角測量這一問題，提升作業(yè)效率和空三解算的成功率，筆者深入分析空中三角測量的解算原理后，得知輸入準(zhǔn)確的外方位元素和相機(jī)參數(shù)，減少影像畸變，提高加密點(diǎn)的匹配精度，可以有效解決空中三角測量問題，提升空三的解算精度、成功率和效率[1-4]。并通過不同的項(xiàng)目進(jìn)行對比測試，結(jié)果表明，采用本文的方法，作業(yè)效率有了提升，空三解算成功率有了提升，對于傾斜攝影作業(yè)人員來說，具有較強(qiáng)的借鑒意義，可以有效解決作業(yè)過程中的實(shí)際問題，降低作業(yè)成本。

1 傾斜攝影作業(yè)流程

該作業(yè)流程主要分為內(nèi)外兩部分，外業(yè)工作內(nèi)容為傾斜影像數(shù)據(jù)的航攝、像控點(diǎn)的噴涂及測量工作，內(nèi)業(yè)主要是對外業(yè)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，對控制點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，然后基于空中三角測量成果進(jìn)行實(shí)景三維模型的重建和后期其它測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)。外業(yè)影像數(shù)據(jù)獲取主要包括飛機(jī)和相機(jī)選擇，航線規(guī)劃和航攝作業(yè)；控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集主要包括控制點(diǎn)布設(shè)，靶標(biāo)噴涂和三維坐標(biāo)測量[5]。內(nèi)業(yè)工作主要有影像數(shù)據(jù)的勻光勻色、像控點(diǎn)的平均值求取、新建工程并加載相關(guān)數(shù)據(jù)、空中三角測量的解算、像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺及平差、實(shí)景三維模型及其4D 測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)，其流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程

2 傾斜攝影空三優(yōu)化研究

通過圖1 的作業(yè)流程可知，在外業(yè)方面，其所有流程都是受控的，都是人工干預(yù)進(jìn)行的。內(nèi)業(yè)來說，空中三角測量是軟件全自動(dòng)完成的，而實(shí)際作業(yè)過程中，最容易出現(xiàn)問題的也是該環(huán)節(jié)，因此對于空中三角測量解算來說，必須對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效優(yōu)化，這樣得到的空三成果質(zhì)量更高。而對于空三加密來說，影響其解算成果質(zhì)量的因素主要有POS 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)[6]，因此需要對輸入?yún)?shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能有效提升空中三角測量的解算成功率和效率。

2.1 優(yōu)化POS 數(shù)據(jù)

優(yōu)化POS 數(shù)據(jù)主要是指能夠準(zhǔn)確還原相機(jī)在拍攝時(shí)與像片之間的位置關(guān)系，這樣才能在空中三角測量時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確匹配。目前優(yōu)化POS 主要的方法有以下幾種：

2.1.1 以下視鏡頭為基準(zhǔn)求解側(cè)視鏡頭準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)。在傾斜攝影測量中，一般都是多個(gè)相機(jī)共用下視鏡頭相機(jī)的POS。結(jié)合相機(jī)安裝可知，采用這種方法進(jìn)行作業(yè)，側(cè)視相機(jī)的POS 精度是比較低的，并不能準(zhǔn)確還原多個(gè)相機(jī)之間的相互關(guān)系，因此需要對側(cè)視相機(jī)進(jìn)行有效優(yōu)化，這樣才能保證側(cè)視鏡頭POS 的精度較高。以5鏡頭為例，其4 個(gè)側(cè)視鏡頭與下視鏡頭之間的相對關(guān)系和參數(shù)，可以通過平臺檢校參數(shù)獲取，將該參數(shù)用于POS數(shù)據(jù)解算，就可以準(zhǔn)確計(jì)算得到側(cè)視鏡頭的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了便于后期對不同組合的相機(jī)進(jìn)行解算，本次利用Matlab 軟件在開發(fā)POS 解算軟件時(shí)，對輸入的數(shù)據(jù)全部進(jìn)行手動(dòng)輸入，然后自動(dòng)解算得到每個(gè)相機(jī)每張影像的準(zhǔn)確POS。

2.1.2 基于低精度POS 解算再進(jìn)行高精度解算?？杖馑闶?，和POS 的精度也是有關(guān)系的，因?yàn)樵谄讲畹臅r(shí)候，是基于POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行的，POS 精度不一致，很容易導(dǎo)致平差失敗。Context Capture 軟件的空中三角測量算法對輸入的數(shù)據(jù)要求高，對于普通的POS 數(shù)據(jù)，輸入Context Capture 軟件中進(jìn)行空三解算，很容易失敗，因此需要對輸入的POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。Mirauge3D 軟件是一款傾斜攝影測量軟件，其算法對輸入數(shù)據(jù)要求不高，但是其匹配的成果精度較低，可以對POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。首先將POS 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mirauge3D 軟件中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成低精度空中三角測量解算，然后導(dǎo)出通用交換格式的XML 文件，該文件里面記錄了高精度的影像位置和姿態(tài)參數(shù)。然后將其導(dǎo)入Context Capture 軟件中，再次進(jìn)行空中三角測量解算。如圖2 所示，是某一項(xiàng)目對POS 優(yōu)化前后的空中三角測量解算結(jié)果。

圖2 POS 優(yōu)化前后的空三解算結(jié)果

圖2 中的左圖是優(yōu)化前的成果，空三解算結(jié)果分層嚴(yán)重，不能用于后續(xù)的三維模型生產(chǎn)；右圖是利用Mirauge3D 軟件進(jìn)行第一遍空三，然后利用Context Capture 軟件再次進(jìn)行解算后的結(jié)果，空三呈平行狀態(tài)，符合實(shí)際情況，空三成果可用。

2.1.3 基于差分定位的POS 獲取。普通的傾斜攝影POS 精度，其誤差在10 米之內(nèi)，且精度分布不均勻，在進(jìn)行傾斜空三解算時(shí)，失敗率很高。差分定位也叫差分GPS定位技術(shù)，即在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS 接收機(jī)，并對其進(jìn)行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知的精密坐標(biāo)值，計(jì)算得到基準(zhǔn)站到衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，并通過基準(zhǔn)站將這一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行發(fā)送。用戶接收機(jī)一邊進(jìn)行GPS 觀測，一邊也接收基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并利用改正數(shù)，對其觀測得到的坐標(biāo)值進(jìn)行改正，從而提高相機(jī)在空中曝光時(shí)的定位精度。目前主流的差分技術(shù)主要包括兩種，即后差分和實(shí)時(shí)差分，其都可以獲得分米級別的POS 數(shù)據(jù)，且其對影像的姿態(tài)獲取精度也很高，這樣一來，就可以準(zhǔn)確獲取影像的位置和姿態(tài)參數(shù)，將三個(gè)外方位角元素引入軟件中進(jìn)行空中三角測量解算，也可以有效提升空中三角測量的精度和成功率。

2.2 優(yōu)化相機(jī)參數(shù)

優(yōu)化相機(jī)參數(shù)主要是指對相機(jī)的內(nèi)外方位元素進(jìn)行準(zhǔn)確獲取。利用檢校場對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，從而得到精度較高的相機(jī)參數(shù)，在傳統(tǒng)的垂直攝影測量中很常見，但是對于傾斜相機(jī)的檢校，目前能夠精確檢校的場所較少，加上其成本較高，因此實(shí)際作業(yè)中很少使用此方法進(jìn)行相機(jī)參數(shù)檢校。為了提升空三的解算精度和成功率，本文結(jié)合長期作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，通過少量影像得到精度較高的相機(jī)參數(shù)，然后用高精度的相機(jī)參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)對全部影像進(jìn)行解算。首先新建工程，每個(gè)鏡頭選擇少量的照片進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)解算，經(jīng)過多次平差調(diào)整，直到相機(jī)的內(nèi)方位元素趨于定值后，才停止優(yōu)化。將優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入軟件中，對全部影像進(jìn)行解算，可以有效提升空三解算的精度和成功率。

2.3 優(yōu)化影像數(shù)據(jù)

2.3.1 使用蒙板技術(shù)

蒙板技術(shù)是Context Capture 軟件中常用到的一種方法，其原理就是遮住影像的邊緣部分，只讓影像內(nèi)部參與空中三角測量的解算。其原理就是影像邊緣畸變嚴(yán)重，提取匹配的加密點(diǎn)誤差太大，不利于后期平差調(diào)整，影像邊緣參與運(yùn)算，很可能會使平差失敗，導(dǎo)致空中三角測量成果不可用。蒙板是通過黑白兩色來設(shè)置的，對于不讓參與空三解算的部分，將對應(yīng)的影像值填充為黑色，對于需要參與解算的部分，則將影像值填充為白色。蒙板可以針對某一影像，也可以針對某一文件夾內(nèi)的所有影像。如果是用于所有影像，則需要將蒙板和影像放在同一文件夾內(nèi)，且命名必須為mask.tif，然后新建工程，加載影像，蒙板就會起作用，這樣蒙板就設(shè)置完成了。如圖3 所示，左圖是應(yīng)用蒙板前匹配得到的加密點(diǎn)，右圖是應(yīng)用蒙板后匹配得到的加密點(diǎn)。

圖3 蒙板應(yīng)用前后匹配加密點(diǎn)結(jié)果

匹配得到的加密點(diǎn)，黃色點(diǎn)是精度較低的加密點(diǎn)，綠色點(diǎn)是精度較高的加密點(diǎn)。由圖3 可知，使用蒙板后，黃色加密點(diǎn)明顯減少，空中三角測量精度有了一定的提高。

2.3.2 影像勻光勻色

空中三角測量解算過程涉及到影像特征檢測、特征提取、圖像相似度計(jì)算、特征匹配和平差調(diào)整幾個(gè)步驟。由于無人機(jī)像幅小，航飛高度低，因此獲取的每張影像可能存在較大的色差和陰影。在特征檢測中，如果影像陰影較大，則很難對其特征進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，也不能很好的完成圖像相似度的計(jì)算，因此降低影像色差，提升影像對比度，提升影像的整體質(zhì)量，可有助于空三解算的順利完成。本次在對影像進(jìn)行勻光勻色處理時(shí)，選用中測智繪的M3Dehaze 軟件進(jìn)行，首先設(shè)置輸入影像路徑和保存處理后的路徑，然后設(shè)置處理線程和處理模式，設(shè)置gamma 參數(shù)為0.5，完成對影像的亮度調(diào)整，如圖4 所示。

圖4 基于M3Dehaze 軟件進(jìn)行亮度調(diào)整

對調(diào)整后的影像，選擇一幅地物信息豐富，對比度明顯的影像作為參考影像，然后設(shè)置輸入、輸出的影像路徑，再次對影像進(jìn)行勻光勻色處理。

3 對比分析

為了驗(yàn)證本文提到方案的可行性，以實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對本文提到的方法進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。表中空三成果填“否”的是指空三出現(xiàn)分層、彎曲，填“是”的是指空三成果可直接用于建模；空三成果精度單位為像素；空三解算時(shí)長單位為小時(shí)。

通過表1 可知，對POS 數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)和影像質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，其空三解算成功率有了明顯的提升，而且優(yōu)化后的空三精度也有了顯著的提升，空三解算所耗時(shí)間減少，有效提升了作業(yè)效率。

表1 不同方案優(yōu)化前后對比

4 結(jié)論

本文分析了傾斜攝影測量的作業(yè)原理，得出空中三角測量解算結(jié)果取決于輸入的參數(shù)。在輸入的參數(shù)中，影像質(zhì)量、POS 精度和相機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確度都對空中三角測量有一定的影響。針對輸入的數(shù)據(jù)，本文提出幾種可行的方案，對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，并以實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。通過對比分析得出本文的方案，在一定程度上，可以提升空三成果的可用性，而且作業(yè)時(shí)長可以縮短，精度也得到了有效改善，可以為傾斜攝影作業(yè)人員帶來借鑒，解決傾斜攝影空三出現(xiàn)的分層、彎曲、精度低等問題。