基于全站儀及Lensphoto系統復雜地形影像圖測繪研究

劉帥兵，景海濤

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

近景攝影測量作為測繪學的分支，在一些傳統測繪工作輔助測量方面發揮著作用。非接觸性的近景攝影與傳統測量工作相比，只需要少量的控制點即可進行數據采集處理工作，可以在短時間內獲取目標地物大量的幾何信息與物理信息，給測繪工作帶來新的測量方法。隨著多基線近景攝影測量的研究深入，使得非量測數碼相機在近景攝影測量中實現了越來越廣的應用，測量成本逐步降低、自動化程度提升明顯、工作效率大大提高。多基線近景攝影測量可獲取高精度的影像，彌補傳統航測的缺陷，減少成本縮短作業周期，可以實現更高效的攝影測量[1]。多基線數字近景攝影測量技術很大程度上改變了傳統近景攝影手工測量的方式，使近景攝影測量技術產生了質的飛躍，是一項應用前景廣闊的測量新技術[2]。

本研究區別于傳統多基線近景攝影測量，如袁清洌、吳學群[1]等學者的研究，依靠遠小于傳統測繪所需要的測量控制點，布設三等測量控制網，采用高精度控制測量的方式進行量測，將影像控制點的精度誤差控制在毫米級。利用多基線數字攝影測量的方法，生成測區數字模型如點云數據及三維景觀圖，成圖效率較高、精度可靠。依靠多基線數字近景攝影測量自動化系統Lensphoto，可在短時間內對普通數碼相機進行標定，降低了攝影對于硬件的需求，同時由于所需控制點的減少，所需要的攝站數也隨之減少。在一些諸如懸崖等垂直角大，測繪人員難以企及的特殊測區，可以只對一些影像上的特征地物進行特征點的標定，提高了工作的效率，實現快速成圖、簡單拍攝、全自動化內業處理，在極短時間內得到所需要的生產成果。

1 Lensphoto系統測繪原理

1.1 Lensphoto系統簡介

Lensphoto系統的原理是利用計算機多目視覺來代替人眼的雙目視覺以測定影像的同名像點，通過影像間同名點進行匹配的，并利用少量外業測量的影像控制點進行航帶的絕對定向，在重疊影像之間通過前方交會求解待定點的坐標，有利于提高影像解算的精度和可靠性，相對于傳統雙目視覺中物點由兩條光線交會擴展到多條光束交會，增加多余觀測次數，消除了單基線立體像對重建三維空間的問題[3]。短基線、大影像重疊度相鄰光束所構成的交會角較小，有利于提高自動匹配的精度，首尾光束構成的交會角有利于提高物點的解算精度[4]。

Lensphoto系統利用非量測數碼相機來獲取多基線影像，然后利用近景多片影像匹配算法的原理，獲取大量的同名特征點，完成從自動空三測量到測繪各種不同比例尺的線劃地形圖的生產，以及對普通數碼相機采集的影像資料進行快速精密三維重建[5]。通過拍攝多組相片，應用Lensphoto系統按多基線近景攝影測量的方法解算，可以進行小區域大比例尺測圖，得到點云圖、數字線劃圖等成果[1]。Lensphoto系統在技術上與傳統近景攝影測量相比較有很多技術創新點。它把多基線攝影方法引入到了近景攝影測量中，同時引入了新的旋轉多基線攝影方法獲取影像數據，并且還引入了全新的影像匹配的算法，有效地解決了被攝地物在空間位置分布不連續或有斷裂和遮擋的復雜影像，實現了從傳統的依靠人眼視覺轉到真正依靠計算機視覺自動化處理的跨越。它還將自動空中三角測量與區域網平差引入到近景攝影測量，使得多基線近景攝影測量有了很高的精度以及自動化程度，使近景攝影測量發生了飛躍式發展[6-7]。

1.2 多基線平行攝影與多基線匹配

近景攝影測量中基本攝影方式有正直攝影方式和交向攝影方式，本次試驗采用交向攝影的方式。在攝影時，像片對兩像片的主光軸大體位于同一平面但彼此不平行，且不垂直于攝影基線，在特定的安排下，兩主光軸可以相交于一點，其角度成為交向攝影的交匯角。用點投影系數方法計算像點的物方空間坐標[8-9]。接著利用光束法前方交會把待定點的像點坐標作為觀測值進行求解，并挨個逐點通過迭代解算最終可以求得待定點的物方空間坐標值[10-11]。

平行多基線攝影測量與傳統近景攝影測量的方法一致，在攝影時保證各個影像相片的主光軸彼此平行，基于此種方式，可以較為簡單的進行測區的拍攝以及航帶的布置。在進行平行多基線攝影時候，要保證影像之間的重疊度至少在2/3以上，并且同一攝站的影像也最好不要超過9張。在遇到一些測區較大的情況時，利用平行攝影的方式可以較為方便的對整個測區進行測量工作, 拍攝以及航帶的布置如圖1所示。

圖1 “航帶網”攝影的方式

1.3 多基線旋轉攝影與多基線匹配

旋轉多基線數字近景攝影測量將區域網三角測量應用在近景攝影測量上，通過旋轉多基線攝影方式提高了近景攝影測量交會精度，解決在近景測量中遇到大交會角時，自動化匹配難以實現的問題，突破了單模型和非量測數碼相機進行直接線性變換求解影像的外方位元素的工作技術流程。

旋轉多基線近景攝影測量所用相機一般為非量測單反數碼相機，像幅都很小，攝影原理如圖2所示。通過增加攝影的基線長度，保證影像之間有3°以上的重疊，確保測區自由網能夠順利建立。但隨著攝影基線及交會角的情況增加，使得所拍影像間的變形明顯，降低影像匹配的正確率、可靠性，甚至會導致影像的匹配失敗的解惑[12]。因此，制定測區攝影測量方案，設計合理的攝影角度以及攝站位置的選取尤其重要。

圖2 旋轉攝影拍攝原理

2 數據采集與處理

2.1 數據采集

數據采集方法上，相較于袁清冽，吳學群[1]學者影像控制點布設方式數量少(14個)，測區范圍大(30張影像)，本研究采用全站儀實行控制測量，快速采集高精度的測量控制點(40個)，采用旋轉攝影的方式攝影(5張影像)，在小型區域進行TIN模型的建立，影像匹配重疊度高(4°重疊度)，提高了內業影像匹配的精度。

以某人工湖泊為實驗區，利用城鎮一級導線點，布設三等測量控制網，采用ES-600G型全站儀進行測區控制點的量測，導線閉合差為(+0.003，-0.002)符合測量精度要求。采用數碼相機Canon 450D進行測區影像控制點的采集，在測量控制網的基礎上布設了40個影像控制點，提高內業影像匹配精度采用手持棱鏡碎部測量的方式進行量測。

進行攝影前，在像控點上設置A4紙打印的攝影人工標志，人工標志見圖3，內業數據處理時見圖4，影像控制點的實際效果圖。實驗采用多基線旋轉攝影的方式進行地物信息的采集，在測區對面4層建筑平臺，設立單基站進行地物信息的采集。

圖3 紙質A4人工繪制

圖4 影像上的實際效果

2.2 內業數據處理

1)相機檢校：預設的格網影像保存，以*.GrdInfo的格式輸出，利用Lensphoto系統自帶的相機檢校模塊進行自動處理。相機焦距為無限遠，模式為手動變焦，計算機液晶顯示屏調整為出廠分辨率，設置格網大小，手持相機在計算機屏幕前方空間的五個方向交向攝影五幅格網影像數據進行相機校準，得到相機參數文件，圖5為相機檢校影像。

圖5 相機檢校圖

2)空三匹配：添加一個航帶(見圖6)，將含有測區信息的航片信息數據以及相機參數導入到lensphoto系統之中，進行影像畸變改正、基礎空三匹配，在相鄰的兩張影像上，進行同名像點的選取，經過各個模型的檢查與校準，最后完成全自動匹配。

由于測量數據是在全站儀中得到的，無法獲取 *.ctl (Lensphoto軟件可以識別的控制點文件)文件，可以將全站儀中的數據導出之后進行數據格式轉換。

3)空三交互：空三交互的主要功能在于對控制點的量測以及對空三匹配結果的編輯修改等。在實驗中系統會自動進行金字塔影像的生成，之后加載匹配結果，影像匹配圖中可以清晰地看到連接點的分布圖見圖7，接著進行測區控制點影像匹配。

圖6 新建航帶模型

圖7 空三匹配后顯示立體像對間匹配的同名像點

4)光束法平差：利用光束平差的原理，精確解算模型點空間坐標以及測區內所有影像外方位元素，同時進行自檢校，內業處理時，相同影像重疊度同名像點的影像匹配過程見圖8。

圖8 測區控制點影像匹配

5)加密匹配生成點云圖：加密匹配只有在整體平差成功后進行，基本操作與空三匹配相同，整個流程皆為軟件自行處理，地形的點云模型見圖9。

從圖9中，可以明顯的看到測區地貌的大致輪廓，這可進行后續處理，為成像覆蓋等提供數據基礎。處理數據的過程中，會出現無效區域點云數據，需要在點云編輯界面進行點云數據的刪減，最終通過影像覆蓋，得到TIN景觀圖，如圖10所示。

圖9 地形點云圖

圖10 TIN景觀圖

3 精度分析

3.1 分析結果

測區影像控制點采用《GB/T 7930-2008 1∶500航空攝影測量內業規范評定標準》，影像控制點的平面中誤差與高程中誤差都不應大于表1中所顯示的各地形等級下的測量規范。

表1 高程注記點和等高線的高程中誤差 m

注：隱蔽和困難的測區，可以將上表的規定放寬到1.5倍。

相對于基礎控制點的實際位置，像控點的中誤差不應大于0.2 m；像控點的高程中誤差不應像控點高程中誤差規范(見表2)。

表2 像控點的高程中誤差 m

實驗所得部分影像控制點平差后的精度，平差過后的精度統計如表3所示。

對平差報告文件進行分析之后，平面中誤差：RMSxy=0.028 8 m，高程中誤差：RMSz=0.023 1 m，可以滿足三等地形的測量規范精度要求。

3.2 精度探究

本研究利用城鎮一級導線點，采用高精度控制測量的方式進行影像控制點與連接點的選取，使得控制點與連接點的坐標誤差控制在毫米級，增加了影像匹配精度。結合測區表面概況，對點云數據進行一步步的剔除， 使得點云模型表面盡可能的光滑平整。相較與袁清洌，吳學群[4]等學者的研究，本研究測區范圍偏小(30 m×10 m)，影像布設的控制點數量多(40個點)，分布密集，大大提高了影像匹配的精度。同時將影像重疊度控制在60%以上，在一些重疊度高的區域有4張影像的重疊，進一步提高了影像配準的精度，得到了高精度的TIN景觀圖。

表3 控制點平差精度表 m

4 結 論

本研究采用數字近景攝影測量的方式進行地形測量，在外業中布設三等測量控制網，利用人工標示，在測區布設了影像控制點，采用數碼相機進行量測，通過Lensphoto系統實現數據自動化處理，最終實驗區地形測量大比例尺地形圖與DEM(Digital Elevation Model)模型制作的應用研究成果達到預期效果。

本研究采用多基線平行攝影與旋轉攝影兩種方式進行，平行攝影選取5個攝影基站，攝取5張像片，精度分析顯示平行攝影方式采集的數據處理結果，在豎直方向上的變形要大于旋轉攝影的數據采集方式。因此，旋轉攝影方式在小區域性研究時更有利于滿足快速生產的需要。