冀占偉

科技創(chuàng)新

基于實景三維模型地形圖繪制的關(guān)鍵技術(shù)探討及誤差來源分析

冀占偉

基于傾斜攝影測量制作的實景三維模型應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，實景三維模型以其真實的場景還原，正在成為事實上主流的地形圖采集方式?，F(xiàn)以實景三維模型的生產(chǎn)流程為切入點，對模型生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)進行探討，對誤差來源進行分析。

實景三維模型；關(guān)鍵技術(shù)；誤差來源

地形圖是水利工程建設(shè)的關(guān)鍵要素，隨著測繪技術(shù)不斷進步，地形圖測繪由最初的白紙測圖、經(jīng)緯儀測圖、全站儀測圖、GNSS RTK測圖、立體測圖，發(fā)展到如今的實景三維模型測圖。隨著測圖方式的變化，測圖的誤差來源也越來越復(fù)雜，影響測圖精度的因素也越來越多。1∶500、1∶1000、1∶2000的大比例尺地形圖測繪中，地形地物的平面位置允許中誤差為圖上0.6mm（平地、丘陵地），高程注記中誤差分別為1/4基本等高距（平地、丘陵地）。準(zhǔn)確的誤差來源分析，有助于減小誤差影響?，F(xiàn)分析基于實景三維模型測圖的關(guān)鍵技術(shù)和誤差來源，并且基于該誤差來源提出相應(yīng)的對策措施，為滿足大比例尺地形圖測繪提供參考依據(jù)。

1.實景三維模型的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測量是傳統(tǒng)豎直攝影測量的新發(fā)展，基于飛行平臺上同時搭載下視、側(cè)視多臺傳感器或一臺傳感器擺動采集，多角度采集影像，克服傳統(tǒng)攝影測量只能獲取地物頂部影像的局限。獲取的影像數(shù)據(jù)分辨率高、側(cè)面紋理信息豐富。通過具備協(xié)同并行處理能力的傾斜攝影軟件（ContextCapture、瞰景smart3D等）經(jīng)過一列計算生成的實景三維模型，能夠相對真實的立體還原現(xiàn)實場景。傾斜攝影測量技術(shù)憑借其高現(xiàn)勢性、快速獲取等優(yōu)點，在應(yīng)急救災(zāi)、數(shù)字孿生城市、資源保護利用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。依據(jù)實景三維模型進行地形地物采集，相較于其他常用的測圖方法，數(shù)據(jù)獲取效率高，將繁重的外業(yè)工作轉(zhuǎn)入室內(nèi)，大大降低了勞動強度、節(jié)約了生產(chǎn)成本，正在越來越多的應(yīng)用到測圖實踐中。

傾斜攝影測量作為攝影測量技術(shù)的再發(fā)展，同樣基于影像的內(nèi)外方位元素匹配連接點、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、密集點云生成等流程，但由于傾斜攝影的影像數(shù)量、拍攝角度、基高比等有別于傳統(tǒng)的攝影測量，因此在處理傾斜攝影測量影像時存在以下幾方面難點。

1.1 多視影像連接點匹配

影像的連接點匹配使不同影像之間建立連接關(guān)系。將所有影像通過建立特征關(guān)系進行整合，連接點匹配的大量同名點將參與后續(xù)的光束法平差。多視影像自動匹配面臨影像拍攝傾角大引起的變形、高重疊度帶來的紋理冗余及傾斜視角下的建筑物遮擋。目前多角度的影像匹配算法通常側(cè)重于影像的旋轉(zhuǎn)、平移、尺度、仿射變換處理，常用的有SIFT算法以及基于SIFT的改進算法，基于深度學(xué)習(xí)的影像匹配算法也正在逐步應(yīng)用于特征匹配算法之中。

1.2 多視光束法平差

光束法平差以影像的光束為基本平差單元，基于共線方程的數(shù)學(xué)模型，以相鄰影像的連接點對相交且坐標(biāo)相等、外業(yè)像控點測量坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)刺點坐標(biāo)相等為平差條件，列出已知控制點和加密連接點的誤差方程進行最小二乘平差計算，求解出影像精確的外方位元素，然后進行前方交會求出加密點地面坐標(biāo)。由于匹配的連接點中粗差連接點的存在，且多為大重疊度連接點，因此光束法聯(lián)合平差之前需要進行連接點粗差探測及剔除及自由網(wǎng)平差內(nèi)精度復(fù)核等步驟，然后進行多視影像的聯(lián)合平差。

1.3 傾斜影像密集匹配點云

多視影像的密集匹配是精細三維建模的關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在得到高精準(zhǔn)度的密集點云數(shù)據(jù)。區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差完成后，依據(jù)求解的影像外方位元素，基于計算機視覺算法密集匹配多視影像上的盡可能多的連接點。由于多視影像產(chǎn)生的冗余能夠有效糾正密集匹配產(chǎn)生的錯誤，提高點云精度，同時由于多角度拍攝很大程度上彌補了遮擋盲區(qū)，減少攝影死角的影響。高重疊度及高分辨率能夠大大提高點云質(zhì)量。

1.4 實景重建

密集點云匹配完成之后，構(gòu)建點云間的不規(guī)則三角網(wǎng)，完成物體的模型重構(gòu)。越復(fù)雜的地物，理論上完成重構(gòu)需要的三角網(wǎng)越精細、越復(fù)雜。不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建完成之后，需要將影像中的紋理進行映射，得到真實色彩的三維模型。紋理映射需要解決最佳相片的選擇問題和紋理色的過渡問題，最佳相片的選擇可以利用某紅算法對相片進行分析，選擇最符合預(yù)期的影像。紋理色過度多使用標(biāo)準(zhǔn)的泊松融合法。

上面分析的4個關(guān)鍵技術(shù)為實景三維建模中需要不斷研究改善的技術(shù)，隨著傾斜攝影測量軟件的不斷更新改進必將得到改善。

2.主要誤差來源分析

基于實景三維模型進行地形圖繪制需經(jīng)過外業(yè)航飛、內(nèi)業(yè)影像處理（主要包括影像連接點匹配、空中三角測量、密集點云匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射）以及地形地物采集等步驟。綜合誤差來源主要有相機引起的誤差、外業(yè)航飛引起的誤差、像控點引起的誤差、空中三角測量引起的誤差以及地形圖繪制產(chǎn)生的誤差。

2.1 相機引起的誤差

由于量測相機的價格昂貴，一般無人機搭載的均為非量測數(shù)碼相機。數(shù)碼相機的誤差包括機械、光學(xué)和電學(xué)誤差。機械誤差是指在光學(xué)鏡頭攝取的影像轉(zhuǎn)化到數(shù)字化陣列影像這一步產(chǎn)生的誤差。機械誤差由掃描陣列不平行于光學(xué)影像使數(shù)字化影像相對于光學(xué)影像有旋轉(zhuǎn)和每個陣列元素尺寸不同而產(chǎn)生不均勻變形引起。光學(xué)誤差及光學(xué)畸變差，是攝影機物鏡系統(tǒng)設(shè)計、制作和裝配誤差所引起的像點偏離其正確成像位置的點位誤差，分為徑向畸變差和離心畸變差。徑向畸變差使構(gòu)像點沿向徑方向偏離其準(zhǔn)確位置，而離心畸變是由于鏡頭光學(xué)中心和幾何中心不一致引起的誤差，它使構(gòu)像點沿向徑方向和垂直于向徑方向都偏離其正確位置。電學(xué)誤差由行同步誤差、場同步誤差與采樣誤差組成。行同步誤差是指視頻信號轉(zhuǎn)化時影像每行開頭處的同步信號產(chǎn)生的錯動現(xiàn)象，場同步誤差是指影像奇數(shù)行與偶數(shù)行間的錯位。采樣誤差是指由于時鐘頻率不穩(wěn)引起的采樣間隔誤差。

2.2 影像采集引起的誤差

無人機由于諸多限制因素，導(dǎo)致機身自重較小，航拍過程中容易受氣流影響導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn)定，影響像片的傾角、旋偏角、重疊度等。

相機拍攝時間與pos定位時間的同步誤差、機載RTK模塊的定位精度引起的相片初始外方位元素的誤差。

多視相機曝光的瞬間，動態(tài)的感光元件和靜態(tài)的被攝物體之間存在相對運動，導(dǎo)致成像模糊，產(chǎn)生拖尾，也就是影像位移。影像位移直接影響相機的成像質(zhì)量，影響后期數(shù)據(jù)處理，使得空中三角測量精度難以保證，像移量的大小與無人機巡航速度、被攝物體地面分辨率等因素有關(guān)。壓縮曝光時間能夠明顯改善像移量，但快門速度過快容易導(dǎo)致進光量不足，感光度（ISO）數(shù)值增大，使影像產(chǎn)生噪點。或者通過合理的像移補償裝置來改善像移。

2.3 像控點引起的誤差

像控點作為將整個像方坐標(biāo)系納入物方坐標(biāo)系的關(guān)鍵因素，其引起的誤差主要有像控點采集的誤差和刺點引起的誤差。

截至目前為止，沒有一套完整的像控點布設(shè)和采集標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)單位通常根據(jù)項目需求及經(jīng)驗值確定像控點的布設(shè)及采集方案。像控點采集誤差通常由影響GNSS測量的因素引起，已經(jīng)較為普及，在此不再贅述。

像控點刺點誤差，由于特征點或者提前制作標(biāo)靶的標(biāo)靶中心在影像上以像素的格式呈現(xiàn)，刺點的中心很難保證與測量的位置完全一致。越高的地面分辨率越能較小刺點誤差。

2.4 空中三角測量引起的誤差

空中三角測量是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的核心步驟。利用少量控制點坐標(biāo)，求解連接點坐標(biāo)和影像的外方位元素，用于隨后的密集點云匹配等步驟?？罩腥菧y量的精度往往也會直接影響到整個三維模型的質(zhì)量?？杖用艿恼`差來源為連接點誤差、影像分辨率、平差計算精度等綜合因素引起的誤差。高質(zhì)量的連接點匹配算法、高精度的像控點、高分辨率等均能減小空三加密的誤差影響。

2.5 地形圖繪制引起的誤差

基于實景三維測圖區(qū)別于傳統(tǒng)的立體測圖，類似于全野外測圖。但由于實景三維模型的產(chǎn)品缺陷，導(dǎo)致一些細小或者柱狀的地物無法判別（如管線），也容易因植被覆蓋等問題導(dǎo)致地類界無法準(zhǔn)確識別，植被覆蓋下的地物無法判讀。

地物采集過程中，受作業(yè)人員本身的專業(yè)素質(zhì)影響，地形地物綜合取舍容易出現(xiàn)偏差。三維模型局部的精度不穩(wěn)定無法識別等原因，構(gòu)成了定形圖內(nèi)業(yè)采集的誤差，內(nèi)業(yè)采集需要結(jié)合測圖實踐經(jīng)驗，加以練習(xí)以達到合理的測圖要求。