溫立文 賈延

（北京星天地信息科技有限公司 北京 102299）

影像的三維重建是基于雙目立體視覺(jué)的原理，結(jié)合傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)，利用多視角的無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)生成三維模型的技術(shù)。該方法最核心的算法和技術(shù)包括：第一，基于SFM 算法的空三加密，這一步是為了恢復(fù)無(wú)人機(jī)影像的空中位置和姿態(tài)，并且得到高精度的稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)［1］；第二，基于SGM 算法的密集匹配，這一步是為了生成深度圖，再對(duì)深度圖進(jìn)行融合來(lái)獲取密集點(diǎn)云，密集匹配是后續(xù)DSM生成和DOM糾正的基礎(chǔ)，最后通過(guò)點(diǎn)云插值和紋理映射，獲取DSM 和DOM影像［2］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于河北省某煤礦，是一處正在進(jìn)行開(kāi)采的井工礦采煤工作面。課題選擇該工作面正上方及附近區(qū)域地表范圍作為無(wú)人機(jī)影像獲取區(qū)域，該區(qū)域東西最大間距為789m，南北最大間距為221m，面積約為0.12km2。監(jiān)測(cè)區(qū)域被河流分為兩個(gè)區(qū)域：河?xùn)|岸主要為村莊居民區(qū)，地物多為房屋建筑物；河西岸主要為作物區(qū)域，地物包括公路、農(nóng)作物和樹(shù)木。測(cè)區(qū)多元化的地物為本文研究礦區(qū)開(kāi)采對(duì)地表地形、地物的變化特征提取提供了樣例數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取的流程主要包括航測(cè)前的準(zhǔn)備工作和實(shí)地采集兩大部分，具體的內(nèi)容如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)影像獲取流程

2.1 航線規(guī)劃

由于實(shí)驗(yàn)中所用采集數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)搭載的是單目相機(jī)，因此，單次實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)調(diào)節(jié)相機(jī)云臺(tái)的傾角對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行5 次拍攝，獲取不同角度測(cè)區(qū)的無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，以保證測(cè)區(qū)三維重建的完整性和精確性。

在規(guī)劃航線時(shí)，考慮到所采用的輕型無(wú)人機(jī)像幅較小及測(cè)區(qū)地表地物較為復(fù)雜的多重原因，決定采用高重疊度的布設(shè)方案［3］。航線布設(shè)的具體參數(shù)為：相對(duì)航高80m；地面分辨率2.19cm；航帶間距25m；航向重疊率80%；旁向重疊率70%；5 次飛行相對(duì)傾角分別為90°、45°、135°、45°、135°。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

按照無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)的原則和要求，本文中的3 次實(shí)驗(yàn)均采用以CORS 站為基準(zhǔn)站、使用網(wǎng)絡(luò)RTK 進(jìn)行快速定位的方法獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間位置信息［4］。在對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量前，均對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行初始化并得到固定解，且對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系、WGS-84-BLH 和WGS-84-UTMZone50（N）3個(gè)坐標(biāo)系下的測(cè)量。其平面位置中誤差≤0.02cm，高程中誤差≤0.02cm，最大限差是中誤差的2倍［5］。本文采用的是全野外布設(shè)像控點(diǎn)的方式，控制點(diǎn)均勻分布在村落區(qū)域、公路區(qū)域和作物區(qū)域。3 期的控制點(diǎn)布設(shè)數(shù)量依次為11、9、12，其中，第三期的控制點(diǎn)如圖2所示。

圖2 第三期影像控制點(diǎn)分布圖

2.3 實(shí)地采集

本次采用的是單目相機(jī)搭載在四旋翼的輕量級(jí)無(wú)人機(jī)Phantom 4 PRO V2.0上進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。

本項(xiàng)目一共采集了3 期影像數(shù)據(jù)，均是無(wú)人機(jī)飛行所攝影像。第一期影像拍攝時(shí)間為2020年1月15日，為工作面采掘開(kāi)始階段；第二期影像的拍攝時(shí)間為2020年6月11日，為工作面采掘收尾階段；第三期影像拍攝時(shí)間為2021年1月15日，為工作面采掘1年后。另外，還獲取了礦區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為后期數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持。

在航測(cè)前的相機(jī)標(biāo)定、航線規(guī)劃和像控點(diǎn)布設(shè)等準(zhǔn)備工作全部完成之后，便進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像的實(shí)地采集。

3 空中三角測(cè)量結(jié)果及精度分析

本文選擇Context Capture 來(lái)進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像的三維重建。借助這個(gè)軟件，無(wú)需昂貴的專(zhuān)業(yè)化設(shè)備，即可對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行三維重建，進(jìn)而獲得測(cè)區(qū)的DOM、DSM、三維點(diǎn)云和三維模型等產(chǎn)品數(shù)據(jù)，具體的三維重建處理流程如圖3所示。

圖3 C ontext C apture 無(wú)人機(jī)三維重建處理流程

將預(yù)處理完畢的無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Context Capture 軟件中，檢查影像的完整性，包括影像的頭文件、POS 數(shù)據(jù)、坐標(biāo)系；導(dǎo)入控制點(diǎn)文件、相機(jī)標(biāo)定參數(shù)；最后，檢查影像序列的正確性，檢查每個(gè)曝光點(diǎn)的影像信息及相鄰帶側(cè)視影像飛行方向是否一致，同時(shí)與垂直圖像的飛行方向也要一樣。

空中三角測(cè)量結(jié)束之后，可以獲得測(cè)區(qū)的稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)和空中三角測(cè)量報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容包括總體質(zhì)量概括、連接點(diǎn)的數(shù)量和分布、控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度，測(cè)區(qū)稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 地形三維重建的影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)及精度評(píng)價(jià)

4.1 三維重建影像產(chǎn)品的生成

在通過(guò)空中三角測(cè)量獲取了無(wú)人機(jī)影像的稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，便可進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。根據(jù)后續(xù)研究和分析的需要，本文中通過(guò)三維重建獲取的三維數(shù)據(jù)包括：三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、TDOM影像、DSM影像。

由于影像數(shù)據(jù)量較大，且現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力有限，需對(duì)空三生產(chǎn)的稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間立方體的分塊處理：第一期稀疏點(diǎn)云被劃分為76 個(gè)瓦片，每塊瓦片的大小為68m 的區(qū)塊；第二期稀疏點(diǎn)云被劃分為64 個(gè)瓦片，每塊瓦片的大小為76m 的區(qū)塊；第三期稀疏點(diǎn)云被劃分為78個(gè)瓦片，每塊瓦片的大小為67m的區(qū)塊。完成分區(qū)后，便開(kāi)始進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，最終獲得三期實(shí)驗(yàn)的DSM影像、DOM影像和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三期DSM數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 三期DSM 數(shù)據(jù)

4.2 三維重建影像產(chǎn)品的精度評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所得三維數(shù)據(jù)的精度，將圖上所得控制點(diǎn)與控制點(diǎn)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，算出所得DSM 影像、DOM 影像和三維點(diǎn)云的誤差，誤差的統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 DO M/DSM 精度評(píng)價(jià)

3 次實(shí)驗(yàn)的成圖精度均小于1∶500 比例尺下給定限值的要求（DOM 平地、丘陵地區(qū)小于0.6，山地、高山小于0.8）［6］，同時(shí)也滿足后續(xù)特征提取的精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于無(wú)人機(jī)影像的地形三維重建原理與方法，包括基于SFM 算法的空中三角測(cè)量、基于SGM算法的點(diǎn)云密集匹配、DSM插值和紋理映射生成DOM 影像。通過(guò)三維重建，可獲取礦區(qū)的三維點(diǎn)云、DSM 和DOM 數(shù)據(jù)，利用控制點(diǎn)三維坐標(biāo)信息，對(duì)空三和生成的三維產(chǎn)品進(jìn)行了精度驗(yàn)證。