侯雪晴，鄧文彬*，李盎然

（1. 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

第一張航空傾斜影像由Black J W 于1860 年在美國波士頓拍攝獲得。20 世紀(jì)30 年代美國地質(zhì)調(diào)查局和陸軍工程兵部隊利用Fairchild T-3A 五鏡頭組合攝影進(jìn)行測圖、勘測和偵查，早期獲得的膠片傾斜影像主要用于軍事目的[1]。2010 年4 月，隨著北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司的第一次引入，該項先進(jìn)技術(shù)在我國開始不斷地探索與發(fā)展。2010 年10 月劉先林院士團(tuán)隊率先研發(fā)成功了第一款國產(chǎn)傾斜相機(jī)SWDC-5，并成功完成了平頂山實(shí)驗(yàn)，是國內(nèi)傾斜相機(jī)的一大突破[2]。現(xiàn)如今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越快，高新技術(shù)層出不窮，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模精度也在不斷提高，三維實(shí)景模型在各行業(yè)中的應(yīng)用日益豐富。為保證高質(zhì)量高效率地進(jìn)行各項工程，仍需對傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行研究與探索，不斷提高三維建模的精度，使其發(fā)揮更大的作用。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

在同一個飛行平臺上搭載5 個傳感器，同時從垂直和4 個不同的傾斜角度采集影像，記錄航高、航速、航向和旁向重疊度、坐標(biāo)等參數(shù)，再對傾斜影像進(jìn)行分析和整理[3]。

1.1 傾斜攝影系統(tǒng)原理

傾斜攝影系統(tǒng)起源于ADS40 三線陣數(shù)碼相機(jī)，可從前、后、下3 個角度測量地物的三維數(shù)據(jù)。將其應(yīng)用于地物勘探等過程中，能發(fā)揮極大的價值[4]。發(fā)展至今，傾斜攝影系統(tǒng)已由單鏡頭拍攝發(fā)展成為多角度自動拍攝。將其與航攝儀相結(jié)合，能通過旋轉(zhuǎn)裝置及時獲取不同方向的傾斜影像，再將所得的影像與垂直影像相結(jié)合，能為地物勘探、航空航天等領(lǐng)域提供參考，應(yīng)用價值顯著[5]。

1.2 傾斜攝影成像原理

傾斜攝影是攝影機(jī)主光軸明顯偏離垂直或水平方向并按一定傾角進(jìn)行的攝影。傾斜攝影裝置一般包括下視、前視、后視、左視、右視[6]5 個高分辨率相機(jī)，其中下視為垂直攝影，用于制作DOM 等；其余4 個方位的相機(jī)用于獲取地物側(cè)面紋理影像，傾角一般為15～45°，如圖1所示。

圖1 傾斜攝影成像原理圖

2 三維重建流程

2.1 研究區(qū)概況

本文選取的測區(qū)為河北省井陘縣**礦，地理范圍為114.217 8～114.221 7 E、38.042 4～38.057 9 N；位于河北省井陘縣上安鎮(zhèn)白王莊村，主要開采石灰石、石膏等。已有資料包括該礦區(qū)的谷歌衛(wèi)星影像，影像級別為16，分辨率為1.88 m/像素。

2.2 影像數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 攝影要求

1）軟、硬件環(huán)境及其要求。本文采用五鏡頭傾斜攝影測量相機(jī)，重量為2 100 g，鏡頭的等效焦距為28 mm，總像素大于1 億，最大影像分辨率為2 cm。航空攝影的飛行時長為45 min，起飛重量為17 kg，飛機(jī)上升上限為1 500 m，控制半徑為10 km，巡航速度為6 m/s，升降速度為5 m/s。具體的飛行速度根據(jù)航高、重疊度等要求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2）攝影環(huán)境要求。選取光照條件較好的時段進(jìn)行航空攝影（陰天且光線充足），以保證航攝儀獲取的照片顏色飽滿、影像陰影較少。

2.2.2 航線規(guī)劃

由于測區(qū)為不規(guī)則形狀，為避免航線過長、一次處理的數(shù)據(jù)量過大，可對航線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得區(qū)域內(nèi)模型完整，如圖2 所示。本文設(shè)置的航向重疊度和旁向重疊度均為80%，航高為80 m。根據(jù)測區(qū)實(shí)際情況，可做一些簡單的調(diào)整，如在地勢較高的區(qū)域相應(yīng)提高一些航高。

圖2 航線規(guī)劃示意圖

2.3 內(nèi)業(yè)處理

本文采用的數(shù)據(jù)處理軟件為ContextCapture Cen?ter。該軟件可利用簡單的照片生成具有高分辨率的真實(shí)三維模型，對數(shù)據(jù)拍攝要求較低，且數(shù)據(jù)處理過程具有半自動化、高伸縮性和高效性等特點(diǎn)。整個數(shù)據(jù)處理過程是全自動的，通常可在數(shù)小時內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理。

Context Capture Center 包括Master、Engine、Acute3d Viewer等模塊，其中Master為主控模塊，負(fù)責(zé)導(dǎo)入照片、提交空三加密、重建模型等；Engine 模塊為引擎模塊，負(fù)責(zé)控制任務(wù)的先后順序、結(jié)束以及提交任務(wù)的優(yōu)先等級，主控界面的所有任務(wù)均需在引擎打開的狀態(tài)下進(jìn)行。

技術(shù)流程如圖3所示，可以看出，空三加密是整個過程中的關(guān)鍵步驟，決定了三維重建的精度。按照數(shù)學(xué)模型，空三加密方法可分為航帶法、獨(dú)立模型法、光束法3 種[7]。首先將原始數(shù)據(jù)整理好，然后將做好的block 文件或txt 文件導(dǎo)入新建的工程中，導(dǎo)入后再一次檢查照片和POS數(shù)據(jù)是否一一對應(yīng)，若呈現(xiàn)的拍照點(diǎn)位置與真實(shí)航線一致，則可提交空三加密任務(wù)；最后待進(jìn)度條行進(jìn)至100%，空三加密結(jié)束，導(dǎo)出空三加密成果。

圖3 研究技術(shù)流程圖

空三加密后利用軟件生成測區(qū)高分辨率的實(shí)景三維模型，局部如圖4所示，分辨率為0.2 m。

圖4 實(shí)景三維模型

3 應(yīng)用前景

與傳統(tǒng)測繪方式不同，利用傾斜攝影測量技術(shù)可快速獲取測區(qū)多角度影像，再經(jīng)內(nèi)業(yè)處理得到測區(qū)的實(shí)景三維模型。該三維模型可根據(jù)任務(wù)的不同，在不同軟件中進(jìn)行應(yīng)用分析，獲取所需信息，為后續(xù)工作提供可靠依據(jù)。

3.1 基本信息提取

利用SuperMap軟件進(jìn)行礦區(qū)面積的量測，能實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)開采過程中的監(jiān)督管理。通過量測可知，礦區(qū)的整體面積約為113 505 m2，單個礦坑面積約為6 119.67 m2，如圖5、6所示。

圖5 測區(qū)面積

3.2 填挖方量分析

開采過程中形成的較深礦坑，在廢棄后應(yīng)進(jìn)行一些治理工作，首先根據(jù)利用傾斜攝影測量技術(shù)得到的測區(qū)實(shí)景三維模型進(jìn)行地形情況分析，確定需進(jìn)行平整的礦坑范圍；然后利用軟件進(jìn)行填挖方量分析。利用三維數(shù)字地球軟件對單個礦坑進(jìn)行填挖方量分析的結(jié)果如圖7、8 所示，其中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樾枰_挖區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)樾枰钛a(bǔ)區(qū)域。

圖6 單個礦坑面積

圖7 填挖方示意圖

圖8 填挖方量匯總

4 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)也在不斷創(chuàng)新與發(fā)展。通過對軟件和技術(shù)流程的不斷研究與探索，三維重建的精度也在不斷提高。高精度的實(shí)景三維模型在未來將會發(fā)揮更大的作用。本文僅結(jié)合三維模型做了一些基礎(chǔ)的應(yīng)用分析，突出其可行性，在未來的研究發(fā)展中，需不斷加深對三維模型的研究；還可獲取測區(qū)的多期影像，得到不同時期的三維實(shí)景模型，進(jìn)而利用模型對露天礦邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。