雙相機(jī)傾斜攝影在建筑物要素摸查中的應(yīng)用

熊輝

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000)

1 引 言

在城市快速發(fā)展的今天，全面掌握建筑物要素的信息對于城市發(fā)展的規(guī)劃決策至關(guān)重要[1]。傾斜攝影測量是國際攝影測量領(lǐng)域近十年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)[2～5]，相比于傳統(tǒng)的測量方法，具有數(shù)據(jù)獲取更高效、現(xiàn)勢性更強(qiáng)的優(yōu)勢，已成為城市建筑物要素摸查應(yīng)用的主要信息獲取手段。

傾斜攝影系統(tǒng)一般是由無人機(jī)、傾斜相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等部分組成，傳統(tǒng)的傾斜相機(jī)使用1個(gè)垂直相機(jī)和4個(gè)傾斜相機(jī)從5個(gè)不同視角同步采集影像，能夠獲取到豐富的建筑物頂面和側(cè)面的高分辨率紋理信息。傾斜攝影測量技術(shù)能夠借助先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生產(chǎn)真實(shí)的城市三維模型；同時(shí)，通過配套軟件的應(yīng)用，能夠直接基于成果影像、三維模型進(jìn)行包括高度、長度、面積、角度、坡度等的量測，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在測繪行業(yè)中的應(yīng)用。在傾斜攝影系統(tǒng)中，傾斜相機(jī)采集影像的質(zhì)量很大程度上決定了后期生產(chǎn)的3DMesh、DSM、DOM、DEM等產(chǎn)品的質(zhì)量效果，許多研究人員對傾斜相機(jī)的各類性能進(jìn)行了研究[6～10]。當(dāng)前，傾斜相機(jī)已由最初單一的五相機(jī)發(fā)展到雙相機(jī)、三相機(jī)等多種類型結(jié)構(gòu)和用途的傾斜相機(jī)，并且各類新研發(fā)的相機(jī)在重量、質(zhì)量、功能方面都取得了巨大的進(jìn)步。

盡管傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用較廣，但是對于城市建筑物要素摸查而言，仍未形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的航空影像而言，傾斜攝影技術(shù)獲取的影像在獲取方式和后期處理中均存在一定差異[11～13]。當(dāng)前，雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)已經(jīng)取得了越來越廣泛的應(yīng)用[14，15]。本文介紹了雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)的構(gòu)成和主要優(yōu)勢，論述了雙相機(jī)傾斜攝影在城市建筑物要素摸查應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及工作流程，并針對廣州市黃埔區(qū)某測區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2 雙相機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)的五相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)是在云臺(tái)上搭載1個(gè)垂直和4個(gè)傾斜角度的相機(jī)，傾斜角度大致在30°～50°之間，而雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)的云臺(tái)僅加裝2個(gè)側(cè)視相機(jī)(如圖1所示)。由于相機(jī)個(gè)數(shù)的減少，雙相機(jī)系統(tǒng)可搭載更重的4 200萬像素的全畫幅高清航拍相機(jī)，實(shí)現(xiàn)小于0.7 s每組照片的高速連拍，同時(shí)在負(fù)載作業(yè)時(shí)間上也有較大的提升，負(fù)載作業(yè)時(shí)間大于 40 min。在效率方面，雙相機(jī)系統(tǒng)和傳統(tǒng)五相機(jī)系統(tǒng)的對比如表1所示。

圖1 雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)

五相機(jī)與兩相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)對比 表1

2.2 雙相機(jī)傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

雙相機(jī)傾斜攝影作業(yè)流程主要包括：像控點(diǎn)布設(shè)、航線規(guī)劃、外業(yè)傾斜影像采集、內(nèi)業(yè)傾斜影像處理，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集任務(wù)由雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)在完成相控點(diǎn)布設(shè)和航線規(guī)劃以后進(jìn)行采集，內(nèi)容主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)、GPS/IMU初始位姿數(shù)據(jù)與像控點(diǎn)圖面坐標(biāo)；數(shù)據(jù)處理任務(wù)則由內(nèi)頁處理完成和實(shí)現(xiàn)，處理過程主要包括多視影像特征提取與匹配、多視影像光束法平差、多視影像密集匹配、構(gòu)網(wǎng)與紋理映射四個(gè)部分。

圖2 雙相機(jī)傾斜攝影技術(shù)流程

數(shù)據(jù)的處理是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由原始的影像數(shù)據(jù)向可用產(chǎn)品轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。

(1)多視影像特征提取與匹配

傾斜攝影影像通常比航空下視影像數(shù)據(jù)量大，且由于影像采集視角多元，存在變形不一致、比例尺不一致的情況，保證大量影像數(shù)據(jù)快速特征提取與準(zhǔn)確匹配是傾斜攝影技術(shù)的關(guān)鍵。目前主流的做法主要通過CPU、GPU加速輔助SIFT算法進(jìn)行快速特征提取，添加約束條件進(jìn)行準(zhǔn)確匹配。在生產(chǎn)過程中，通常先進(jìn)行自動(dòng)連接點(diǎn)匹配，針對飛行區(qū)域不規(guī)則、控制點(diǎn)稀少等情況，可以通過手動(dòng)添加匹配連接點(diǎn)來提高整體連接點(diǎn)匹配的精度，以及飛行區(qū)域的整體性。

(2)多視影像光束法平差

提高傾斜攝影影像的匹配點(diǎn)精度可得到較好的多視影像光束法平差結(jié)果，由于多視影像數(shù)據(jù)視角多元、結(jié)合變形多元，且存在側(cè)視遮擋問題，因此除通過光束法平差解算傾斜影像的位姿，除附加投影差最小的約束外，還可結(jié)合傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)采集的GPS/IMU數(shù)據(jù)、手動(dòng)添加的連接點(diǎn)、約束條件、增加控制點(diǎn)輔助進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，通過多種約束條件進(jìn)行優(yōu)化，解求多視傾斜影像位姿最優(yōu)解。

(3)多視影像密集匹配

密集匹配是在恢復(fù)影像位姿數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，多視影像中下視影像可獲取清晰的地面紋理與建筑物天面紋理，側(cè)視數(shù)據(jù)可獲得清晰的建筑物側(cè)面紋理，傾斜攝影無人機(jī)采集的多視影像分辨率高，數(shù)據(jù)量大，如何快速進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，獲取同名點(diǎn)坐標(biāo)，提取地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，是多視影像密集匹配的核心。密集匹配通常借助核線將二維同名點(diǎn)搜索變?yōu)橐痪S搜索，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的新探索挖掘密集匹配的效率和準(zhǔn)確度，并引入并行算法，提高解算效率。

(4)構(gòu)網(wǎng)與紋理映射

多視影像密集匹配可根據(jù)影像的彩色信息生成三維地物點(diǎn)的彩色點(diǎn)云，能更加逼真地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物數(shù)字地面模型(DEM)或數(shù)字表面模型(DSM)的獲取以及模型的建立；通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行泊松構(gòu)網(wǎng)，并結(jié)合相機(jī)的透視投影關(guān)系，可以獲取到三維模型表面和傾斜影像區(qū)域的一一對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合網(wǎng)格平面參數(shù)化的結(jié)果，可以從三維模型的實(shí)拍傾斜影像中生成出參數(shù)化平面的紋理。紋理映射過程中，對一些拍攝角度較好的影像，均產(chǎn)生了一張紋理地圖集，最終的紋理地圖集需要從多幅多角度的圖像融合得來。為了在保持紋理的分辨率和色彩還原度的基礎(chǔ)之上，減少不同圖像間的灰度值差異，使合成后的紋理在過渡處保持平滑，采用多分辨率樣條法進(jìn)行紋理融合。

2.3 雙相機(jī)傾斜攝影應(yīng)用于建筑物要素摸查的主要任務(wù)

建筑物要素摸查的主要信息包括建筑棟數(shù)、建筑面積、占地面積、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)。由于無人機(jī)快速獲取的三維模型具備現(xiàn)勢性強(qiáng)、可視性強(qiáng)、可量測的優(yōu)勢，因此利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行城市建筑物要素信息摸查值得探索。基于三維模型進(jìn)行建筑物要素摸查的技術(shù)包括地形圖房屋面巡圖、現(xiàn)狀房屋面繪制、建筑物要素入庫、建筑量統(tǒng)計(jì)。

(1)地形圖房屋面巡圖

在建筑物要素現(xiàn)狀摸查中，地形圖房屋面巡圖即將地形圖房屋面與三維模型套合，將現(xiàn)狀建筑物與已有房屋面進(jìn)行對比，保留吻合部分，去除已變化部分。

(2)現(xiàn)狀房屋面繪制

已變化部分的建筑物需要重新進(jìn)行房屋面繪制，該步驟在清華山維EPS軟件中完成，主要按照豎直分層面切分進(jìn)行房屋面繪制，并附加房屋屬性如建筑面積、占地面積、建筑層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)。同時(shí)進(jìn)行建筑物棟號(hào)自動(dòng)生成。構(gòu)筑房屋面后，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫mdb文件。

(3)建筑量統(tǒng)計(jì)

建筑物要素摸查還可快速獲取測區(qū)范圍內(nèi)的建筑物棟數(shù)、總占地面積、總建筑面積，為城市更新改造提供經(jīng)濟(jì)測算依據(jù)。

3 應(yīng)用案例

3.1 工程概況

本文所研究的實(shí)驗(yàn)測區(qū)位于廣州市黃埔區(qū)，如圖3所示。測區(qū)面積約 5 km2，區(qū)塊形狀為不規(guī)則多邊形，多處內(nèi)凹，由多塊密集的建成區(qū)散亂分布形成，西北-東南方向、西南-東北方向各有一條城市道路，其他部分為丘陵、農(nóng)田、植被等，其中需要摸查的建筑物要素面積約 1.5 km2。測繪要素分布跨度大且較為零散，采用傳統(tǒng)測量方法耗時(shí)長，成本高，現(xiàn)勢性低，而應(yīng)用雙相機(jī)傾斜攝影技術(shù)可提高作業(yè)效率，現(xiàn)勢性強(qiáng)，同時(shí)能夠節(jié)約成本。項(xiàng)目采用南方無人機(jī)ZR-66B雙鏡頭傾斜攝影無人飛行系統(tǒng)采集傾斜影像數(shù)據(jù)，Skyline公司的Photomesh軟件進(jìn)行空中三角測量及全自動(dòng)三維建模，建筑物要素摸查采用清華山維EPS軟件。

圖3 測區(qū)范圍界線

3.2 航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)建筑物要素摸查的范圍設(shè)計(jì)飛行范圍，進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置航飛影像航向重疊度75%，旁向重疊度60%，飛行高度約 300 m，地面分辨率 4 cm。考慮到測區(qū)為不規(guī)則多邊形，航向方向設(shè)計(jì)無法按照單一走向方法進(jìn)行布設(shè)，為實(shí)現(xiàn)效率、質(zhì)量與成本的最佳耦合，需根據(jù)多邊形形狀走向分區(qū)塊設(shè)置航向，并保證不同區(qū)塊間具備足夠重疊度。測區(qū)邊緣尤其在內(nèi)凹區(qū)域，建筑物建模通常容易出現(xiàn)拉花現(xiàn)象，需外擴(kuò) 300 m。實(shí)施方案中共布設(shè)了15個(gè)架次獲取兩相機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)，單景傾斜影像數(shù)據(jù)為 4 200萬像素，共采集 6 680張影像，內(nèi)存為 228 G影像，相機(jī)焦距為 35 mm，像元大小為 4.5 μm。測區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)了35個(gè)控制點(diǎn)，具體分布如圖4所示。

圖4 測區(qū)控制點(diǎn)布設(shè)方案

3.3 自動(dòng)建模

在Photomesh中新建工程，整理雙相機(jī)的內(nèi)方位元素?cái)?shù)據(jù)、6 680張傾斜影像數(shù)據(jù)及對應(yīng)的外方位元素POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行多視影像特征提取與匹配、光束法平差獲取測區(qū)空中三角測量成果，根據(jù)空三解算結(jié)果進(jìn)行密集匹配，生成密集點(diǎn)云，通過構(gòu)網(wǎng)與自動(dòng)紋理映射，最終獲取得到測區(qū)三維傾斜模型，如圖5所示。

圖5 測區(qū)實(shí)景三維模型

3.4 建筑物要素摸查

采用EPS新建工程，加載三維模型、正射影像與現(xiàn)有地形圖，基于傾斜實(shí)景模型現(xiàn)狀在測區(qū)內(nèi)首先進(jìn)行巡圖，刪除現(xiàn)狀發(fā)生變化的建筑物要素，并重新繪制，賦予層數(shù)、結(jié)構(gòu)屬性。測區(qū)范圍內(nèi)所有建筑物要素摸查結(jié)束后，統(tǒng)一進(jìn)行棟號(hào)自動(dòng)生成，將成果導(dǎo)出為mdb格式的圖斑數(shù)據(jù)，僅保留建筑物要素的棟號(hào)、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、占地面積、建筑面積字段屬性，流程圖如圖6所示，成果如圖7所示。

圖6 建筑物要素摸查技術(shù)流程

圖7測區(qū)建筑物要素摸查成果數(shù)據(jù)

4 總 結(jié)

雙相機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有快速獲取傾斜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，可獲得接近五相機(jī)傾斜攝影技術(shù)自動(dòng)建模的效果。同時(shí)，相機(jī)數(shù)量的減少使得雙相機(jī)系統(tǒng)能夠搭載更高像素的相機(jī)，一方面提高傾斜影像數(shù)據(jù)采集的分辨率和質(zhì)量，另一方面可增加航高，提高單個(gè)架次覆蓋面積，提高作業(yè)效率。在城市更新中進(jìn)行快速建筑物要素摸查，使用雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)能夠?yàn)楦赂脑旆桨柑峁┑谝皇值慕?jīng)濟(jì)測算數(shù)據(jù)，同時(shí)留存現(xiàn)勢性三維模型、正射影像數(shù)據(jù)服務(wù)于技術(shù)方案設(shè)計(jì)，節(jié)省方案底層模型、底層影像搭建時(shí)間成本。

目前，雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)得到了較為廣泛的推廣，在建筑物要素摸查方面，可快速獲取測區(qū)范圍內(nèi)建筑物要素，并進(jìn)行建筑量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中該技術(shù)也存在一些問題：

(1)建筑物遮擋問題：需進(jìn)行建筑物要素快速摸查的測區(qū)一般為密集城中村，房子高度較低，在植物茂密的南方城市如廣州，存在較多的低矮建筑物被樹木遮擋的現(xiàn)象，如該建筑物現(xiàn)狀已改變，在進(jìn)行重新繪制時(shí)，由于未進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)繪，容易存在較大偏差。另一方面，建筑物與建筑物之間過于密集時(shí)，建筑物結(jié)構(gòu)、層數(shù)易發(fā)生誤判，繪制難度大。測區(qū)范圍內(nèi)遮擋率較大時(shí)，建筑物要素摸查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與真實(shí)情況易產(chǎn)生較大偏差。

(2)航線規(guī)劃問題：需進(jìn)行建筑要素摸查的測區(qū)一般只關(guān)注建筑物要素，建筑物要素通常散亂分布，導(dǎo)致測區(qū)形狀極不規(guī)則，空中三角測量難度增大，需合理進(jìn)行航線規(guī)劃，協(xié)調(diào)作業(yè)效率、成本與技術(shù)難度，使三者得到平衡。

本文通過雙相機(jī)傾斜攝影無人機(jī)飛行系統(tǒng)，采集傾斜影像進(jìn)行自動(dòng)建模，將其應(yīng)用于建筑物現(xiàn)狀摸查中，提高了作業(yè)效率，論證了該技術(shù)方案的可行性，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該技術(shù)方案仍存在問題需要克服，在后續(xù)推廣應(yīng)用中該技術(shù)方案將得到不斷完善與深層次的應(yīng)用。