傾斜攝影技術(shù)大比例尺測圖的探析

賈曉笛 （安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

0 前言

傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地降低三維建模的成本，同時將數(shù)據(jù)處理與模型整合進(jìn)行了融合，采用多樣化的模型數(shù)據(jù)形式，在專業(yè)信息處理平臺展開矢量化操作，拓展數(shù)據(jù)形式與應(yīng)用范圍，以滿足不同層次的數(shù)據(jù)需求。實際上，傳統(tǒng)測繪工作已經(jīng)無法滿足信息化時代下的工作要求，我們也需要發(fā)展航空攝影測量技術(shù)來進(jìn)行測圖，提供可靠的數(shù)據(jù)信息結(jié)果。

1 傾斜攝影技術(shù)流程

從具體流程來看，按照傾斜攝影技術(shù)所獲取的影像數(shù)據(jù)通過專業(yè)的自動化建模軟件進(jìn)行分析后，會對局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，以便于將實景模型和傾斜攝影影像結(jié)合到統(tǒng)一的作業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中，獲取一體化的測圖環(huán)境，形成相對嚴(yán)格的精密設(shè)計，大幅降低了實地調(diào)繪的工作效率，也保障了地形圖的繪制質(zhì)量。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成主要包括幾個重要部分，以任務(wù)設(shè)備來說，包括攝影機(jī)、攝影控制系統(tǒng)與相關(guān)部件所構(gòu)成，攝影系統(tǒng)包括專業(yè)的傾斜攝影測量設(shè)備與非專業(yè)設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則多采用數(shù)據(jù)存儲技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和存儲，重點在于改善航攝信息的獲取質(zhì)量，明確飛行狀態(tài)，并對其展開合理控制。另一方面，通過軟件進(jìn)行控制可以實現(xiàn)對位置的規(guī)劃，因為人的視距比較有限，可以在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行無人機(jī)測量的航線控制[1]。

1.2 測量實例技術(shù)方案

本次研究測量以某地區(qū)某村作為研究區(qū)域，總體的技術(shù)方案如圖所示。

技術(shù)流程

2 傾斜攝影三維建模技術(shù)過程

2.1 影像匹配環(huán)節(jié)

影像匹配的作用在于建立不同像片之間的連接關(guān)系，同時將所有的拍攝像片建立特征關(guān)系后再展開整合，從而獲取信息并參與到后續(xù)的空中三角測量環(huán)節(jié)當(dāng)中。換言之，影像匹配的精度直接影響到測量結(jié)果的精度。在當(dāng)前的技術(shù)條件下多采用SIFT特征匹配算法來保障運算效率與抗噪聲能力，從而將圖像之間的匹配狀態(tài)轉(zhuǎn)化為特征點向量之前的相似性度量。在其中的不同階段中，第一階段為圖像檢測，第二階段為特征描述符生成，最后階段為向量匹配[2]。

2.2 空中三角測量

這一階段是利用較少的控制點坐標(biāo)來獲取未知點坐標(biāo)與元素，通過前方和后方的交會來實現(xiàn)模型定向和測繪產(chǎn)品的生成。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，一般采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，利用的是不同的觀測手段來作為外方位元素的初始值，并將控制點坐標(biāo)展開數(shù)據(jù)聯(lián)合，按照數(shù)據(jù)在平差過程中的所占權(quán)重比差異來分析精度可能受到的影響。從其具體流程來看，從第一條航帶開始進(jìn)行航帶網(wǎng)創(chuàng)設(shè)，并按照已知的地面控制點來進(jìn)行粗略計算，得到加密點近似坐標(biāo)。之后逐點建立誤差方程，以像片中心投影方式建立條件方程式。

2.3 密集匹配

密集匹配的作用在于生成密集點云，這也是傾斜攝影技術(shù)中的核心內(nèi)容之一。一般來說航帶經(jīng)過重建后會根據(jù)外方位元素來構(gòu)建立體相對。考慮到影像的多視化特征，會有與傳統(tǒng)影像匹配之間的顯著差異，表現(xiàn)為點云信息大量存在，且多余的信息可以被用來彌補(bǔ)傳統(tǒng)匹配信息的缺陷，尤其是盲區(qū)的特征信息能夠得到控制，避免一些攝影盲角的特征構(gòu)建工作出現(xiàn)問題。另外根據(jù)密集點云還可以構(gòu)建三角網(wǎng)，來實現(xiàn)整個模型的構(gòu)件，三角網(wǎng)的密集程度和航片重疊度之間有著密切聯(lián)系，理論上說，如果兩者重疊度越高，則說明地物結(jié)構(gòu)的表述會越清晰。

2.4 紋理映射

紋理映射工作在三維模型構(gòu)建完畢之后所進(jìn)行，建立二維空間點與三維物體表面之間的對應(yīng)關(guān)系，得到更加符合色彩和視覺要求的三維模型。映射模式分為正向映射、逆向映射與兩步紋理映射。正向映射的特征在于節(jié)省空間，不過圖像的質(zhì)量可能會受到影響。與之相反的逆向映射可以有效地彌補(bǔ)正向映射的差異性，不過在空間占用方面更加顯著。兩步紋理映射方案則涉及到圖片、紋理映射的坐標(biāo)問題，詳細(xì)地說明了其中的連接關(guān)系。在這一階段的工作中主要涉及到兩個層面的問題。一是像片的選擇問題，在這一方面有既往的研究內(nèi)容提出了相關(guān)的解決方案，將每一個需要紋理映射的面片按照公式要求進(jìn)行評分。而第二個問題在于紋理色的過渡問題[3]。

2.4 實際測量

測量的具體環(huán)節(jié)非常復(fù)雜，是一項系統(tǒng)化的工程。在進(jìn)行傾斜攝影前需要做好大量的準(zhǔn)備工作，包括了解區(qū)域概況、確定區(qū)域范圍、選擇合理的攝影設(shè)備等。在前期調(diào)研工作完畢之后按照低空數(shù)字航空攝影的規(guī)范，可以先將無人機(jī)的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，并且按照以下公式的要求進(jìn)行。

其中H為傾斜攝影的行高、f為物鏡鏡頭焦距、GSD為地面分辨率，a為像元尺寸。一般情況下我們確定航高之后還可以參考航空攝影規(guī)范要求來確定重疊度，最后設(shè)置好相應(yīng)的航線參數(shù)，包括飛行航向、航線長度等。

3 實例設(shè)計實驗

設(shè)計實驗讓工作人員在同一區(qū)域利用兩種不同的方式展開測圖與地形圖繪制，然后確定兩種方法之間的結(jié)果對比與誤差情況。

3.1 二位數(shù)據(jù)采集

在EPS三維測圖軟件中加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型之后按照地形圖繪制地物，得到試驗區(qū)域的數(shù)字線劃圖，均勻地在實驗區(qū)域采集不同特征的地物類型，包括點狀、現(xiàn)狀、面狀等，具體為電線桿、道路拐點、圍墻等，包含多個特征點的平面坐標(biāo)。工作人員按照二維模型的檢查點分布繪制了相應(yīng)的誤差雷達(dá)圖，結(jié)果表明越靠近中間的點位中誤差越小，則精度越高，按照前文提到過的共識計算和地形圖的長途規(guī)范，可以繪制不同地形的高程檢查點。

3.2 三維數(shù)據(jù)采集

在EPS三維測圖軟件中加載相應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)，同樣利用工作人員來獲取不同特征的相同地物點位坐標(biāo)。從結(jié)果來看，二維和三維實景模型的數(shù)字化都能基本符合1∶500大比例地形圖的精度規(guī)范要求，同時能夠?qū)y量的坐標(biāo)點進(jìn)行比對，最終完成測圖和數(shù)據(jù)分析[4]。

3.3 地形圖繪制方法

地形圖繪制工作中的要點在于對地物的識別。尤其是正射影像中無法對地物進(jìn)行明確區(qū)分時，例如樹木、建筑物遮擋，那么工作人員在繪制的過程中會通過一定的方法和技巧進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)。在獲取一點平面坐標(biāo)的同時，可以獲取三維模型中的同一點高程坐標(biāo)，這種精度顯然由于單純地地形圖繪制精度。對此，我們可以在正射影像上繪制大部分的地形圖，獲取地物平面坐標(biāo)之后再對其添加屬性展開數(shù)據(jù)信息分析。例如建筑物可以備注房屋結(jié)構(gòu)類型、樹木可以備注是哪種植物等。此時對于一些需要進(jìn)行輪廓改正的地物進(jìn)行調(diào)整，按照實際情況進(jìn)行切換。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)測圖的人工成本過高、效率過低，在實際的繪圖環(huán)節(jié)也存在技術(shù)缺陷。對此，我們不難看出傾斜攝影技術(shù)可以在三維實景環(huán)境下進(jìn)行全要素采集，滿足1∶500的地形圖測圖要求，大幅減輕了實地工作的強(qiáng)度，保障工作效率。在未來的技術(shù)研究過程中，我們可以借助EPS軟件平臺來對數(shù)據(jù)信息展開研究分析，驗證不同測圖結(jié)果在二維模型和三維模型層面的不同采集精度，獲得高精度模型的同時給測繪工作提供參考性建議。當(dāng)然，對于某些特殊地貌的適應(yīng)性也需要深入研究的支持，尤其是紋理的精細(xì)程度。