基于傾斜攝影的TDOM制作及其在水利工程中的應用探討

談 政，朱小歡，周勝潔，邸國輝

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070；2.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

數字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)同時具有影像、坐標和幾何特征，具有精度高、信息全、形象直觀等特點，是構建空間數據框架的重要組成依據，是測繪產品的重要組成部分，在工程建設規劃、災害防治、水環境監測評估、土地利用調查等各領域應用廣泛。

傳統正射影像圖的制作主要是通過中心投影影像數字微分糾正方法得到的，在糾正過程中，具有一定高度的地面物體會相互遮擋，無法解決投影差問題，容易產生遮蔽現象；在影像圖拼接過程中，圖幅間及航帶間接邊還經常出現建筑物錯位、變形等問題，這使得正射影像失去了“正射投影”的意義。另外，采用DOM拼接線編輯方法處理錯位、變形等問題，效率較低，質量也難以保證[1]。

傾斜攝影生產真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM)的主要方法是利用傾斜攝影采集的高密集點云構建數字表面模型，再通過數字微分糾正方法改正中心投影影像的幾何變形，對整體區域進行影像重采樣，生成高質量的真正射影像。此方法可解決投影差問題，在影像圖拼接過程中能避免出現建筑物錯位、變形等問題。針對建筑物影像真正射糾正后可能存在的“漏洞”，還能利用傾斜影像進行修補，以保證TDOM的完整性。

1 關鍵技術

1.1 投影差控制

投影差是地形起伏引起的像點位移，與相機焦距、拍攝航高、地物高低及地形起伏有密切關系。

通常情況下，地面點相對高度越高、成像點距離像主點越遠，投影差越大，反之則越小。點的相對高度是自然屬性，無法人為控制，在必要情況下，可以增加影像重疊度來盡量減小投影差[2]，如圖1所示。

圖1 影像重疊示意圖

在TDOM實際生產中，主要利用數字表面模型(Digital Surface Model，DSM)來控制投影差，通常在TDOM生產前規定Δl的最大值，即規定TDOM平面中誤差的精度指標。由式(1)可得：

(1)

式中，d—成像點到像主點的距離，mm；f—焦距，mm；Δhmax—最大相對高度，m；Δlmax—最大投影差，m。

最遠點到像主點的距離可表示為

(2)

式中，A1、A2—像幅尺寸(長、寬)；C1、C2—航向、旁向重疊度。

文章采用的CW- 10C無人機正攝鏡頭焦距為20mm，其等效焦距為30mm，設定航向、旁向重疊度分別為80%、70%，則最遠點到像主點的距離為5.88mm，若要求投影差不大于0.6m，則相應的DSM高程誤差應不大于3.06m；設定航向、旁向重疊度分別為60%、30%，則最遠點到像主點的距離為13.41mm，若要求投影差不大于0.6m，則相應的DSM高程誤差應不大于1.34m，詳見表1。

表1 不同情形下DSM限差

焦距f越大，DSM高程誤差的限差越大；航向、旁向重疊度越大，DSM高程誤差的限差也越大。

1.2 重疊度設置

多視影像密集匹配和聯合平差是提高TDOM精度和質量的關鍵技術，通過高分辨率、高精度的DSM進行影像幾何糾正，能有效改正中心成像造成的影像幾何變形與位置偏差。它主要在多角度傾斜攝影影像聯合空三加密的基礎上進行密集匹配，生成高密度三維點云，其精度與效果跟影像分辨率和重疊度關系密切。在傳統航向重疊度60%和旁向重疊度30%的設置下，地面物體會互相遮擋，影像不易匹配，建筑物各立面紋理特征和幾何精度難以保證[3]。

多角度傾斜航攝儀能同時獲取測區的下視影像和側視影像，為地面物體紋理自動映射和遮蔽區域紋理補償提供更豐富的數據源。因此，在外業航攝過程中，需對影像航向和旁向重疊度進行提升以減少遮擋，通過較高的冗余度消除粗差，提高DSM精度，進而提高TDOM的精度。

2 TDOM制作

2.1 傾斜攝影

文章在湖北黃岡市長河治理工程中開展了應用試驗，采用CW- 10C無人機，搭配五組Sony ILCE- 5100鏡頭拼裝相機進行傾斜攝影，4個傾斜鏡頭的焦距為35mm，正攝鏡頭的焦距為20mm，像幅尺寸為35.8mm×23.9mm，像素為2400萬。航攝區域面積約為3km2，測區平均海拔為30m，最大相對高差為50m，測區分布了多棟高層建筑物。

結合續航時間及測區范圍，設計飛行3個架次，共36條航線，地面分辨率為3.8cm，航向及旁向重疊度均為70%，航線間距72m，相對航高為230m，不同架次之間重疊3～4條航線，如圖2所示。為提高DSM匹配精度和效果，像控點均布設于開闊平坦地面。

2.2 點云提取及DSM構建

通過ContextCapture軟件的影像自動匹配功能和SFM技術，計算內方位元素和相機畸變參數，并考慮像主點偏移影響，恢復相機拍攝瞬時位置姿態，再通過自由網平差和像控點平差，生成帶坐標的稀疏點云，進一步利用多視立體視覺技術創建三維網格進行點云加密，最后獲得測區的DSM，如圖3所示。

2.3 空三平差

傳統垂直攝影測量系統只能解算處理垂直視角影像，無法解算其他傾斜視角影像。傾斜攝影空三加密包括垂直的下視角和前、后、左、右傾斜視角等多視角影像的數據處理，它以5個視角的POS數據為基礎，分別獲取各視角外方位元素和姿態參數，在每級影像上由粗到細進行多視角影像自動匹配和自由網平差，然后建立5個視角影像控制點刺點連接，聯合進行平差解算。在空三加密時需注意的是：

圖2 航線圖

圖3 點云及DSM生成

(1)傾斜影像幾何變形較大，隨拍攝距離增大而變大，需合理選取匹配影像；

(2)傾斜攝影地物之間容易相互遮擋，僅依靠同名點自動匹配，可能無法成功匹配所有像點，需人工干預補充。

像點重投影誤差的均方根是客觀反映最終建模精度的重要指標之一，通過該指標可初步判斷模型的精度。試驗中將30個控制點進行空三計算，控制點重投影誤差的均方根為0.03像素，最大值為0.05像素，連接點重投影誤差的均方根為0.7像素，模型精度較高。

對傾斜影像和正攝影像空三結果進行了量測分析，結果表明，在下視影像和傾斜影像中，平面中誤差和高程中誤差均滿足航空攝影測量規范要求。在控制點精度校核上，下視影像的精度比傾斜影像的精度高；在檢查點的精度校核上，則是傾斜影像的精度更高；當影像分辨率為10cm時，平面中誤差在精度范圍內，高程中誤差略大[9]。

2.4 DSM提取

利用ContextCapture軟件，生成三維模型瓦片對應的DSM，能夠滿足一般的要求。傾斜影像的特征點對應影像數中位值為10，明顯大于正攝影像的影像數中位值3，增強了多視影像密集匹配的穩健性。

為全面分析傾斜影像和正攝影像DSM的差別，試驗中利用0.05m網格的傾斜影像和下視影像分別生成了數字表面模型DSM1和DSM2。采用GIS軟件對DSM1、DSM2求差后，截取2個典型斷面進行對比分析，得到斷面高程較差及建筑物高程較差，如圖4所示。

圖4 傾斜影像與正攝影像DSM的較差

對于相對高差較小的區域，DSM較差最大值為1.2m，但在距高層建筑物邊緣線0.2～0.8m處，有多處DSM局部差別較大(7～30m)。這表明正攝影像由于遮擋等原因，產生誤匹配，導致DSM局部誤差較大。

DSM存在失真的問題，會導致DOM投影差大，從而DOM會出現明顯的扭曲和失真。

2.5 TDOM生成

在三維模型基礎之上，生成的DOM已經是真正射影像，不需再進行其他糾正。由于測區范圍過大，軟件自動生成的DSM和TDOM是采用瓦片形式存放的，為了實際應用的方便，通過ArcGIS軟件對瓦片文件進行了拼接合并處理。

根據遮蔽補償原理，遮蔽區域的紋理能在相鄰航線上得到補償，基本消除了TDOM的漏洞。由于水面的低紋理特性產生的少數漏洞，采用Photoshop軟件進行了填充修復。最終生產的TDOM成果如圖5所示。

圖5 湖北黃岡市長河治理工程TDOM

2.6 TDOM精度檢測及效果分析

2.6.1TDOM精度檢測

TDOM的位置精度評定可通過比對加密點和檢查點進行衡量。一般選取房角、墻角、陡坎等幾何特征變化大的位置，結合三維實景模型或全站儀檢測進行比對。

采用全站儀進行高精度檢測，平面中誤差公式如下：

(3)

式中，pi—坐標矢量較差；n—檢測點數量。

通過外業檢查點對TDOM平面精度進行了檢測分析，結果見表2。

表2 TDOM平面精度統計表

經檢測，檢查點平面誤差最大為0.08m，最小為0.04m，中誤差為0.065m，試驗生成的TDOM滿足了規范精度要求。

另外，將TDOM與1∶500比例尺數字線劃圖(DLG)進行了疊加比對，套合情況良好，說明TDOM的幾何精度高。

2.6.2TDOM表征質量對比

對正攝攝影DOM與傾斜攝影TDOM進行了效果對比，顯見正攝攝影DOM存在建筑物邊緣鋸齒、建筑物房角非直角、正方形扭曲、亭子非圓、內部道路邊緣扭曲、道路中線錯位和邊緣被樹木遮擋、建筑物附近的漏洞等缺陷，而在TDOM中均得到改正，TDOM的質量比DOM明顯提高。

另外，TDOM細節紋理更加突出，幾何誤差小，陰影和遮擋大幅度減少，消除了航攝高度和相機傾斜造成的遮蔽影響，影像均勻分布在實際地表位置。

3 TDOM在水利工程中的應用探討

3.1 虛擬漫游巡線

TDOM形象直觀、信息豐富、坐標位置精準，所有地物屬性一目了然。在水利工程建設前期，結合DEM構建數字地表模型，進行工程沿線地形地物的分析和可視化巡視，并可直接從影像圖上分析地物屬性、量測所需數據資料，從總體上把握工程現狀，還能獲取無法實地查勘區域的相關信息，便于工程前期的規劃和選址。

3.2 水利工程信息化底圖

信息化是當今世界的大勢所趨，是推動經濟社會發展的重要力量，是傳統水利向現代水利轉變的必由之路。國家大力推進水利信息化建設，旨在提高水資源利用與管理效率，科學合理調配水資源，促進水利事業發展。在此背景下，水利一張圖、智慧水利、數字流域等工程應用應運而生，這些都需要精準可靠的影像作為底圖，而TDOM高分辨率、高精度、無變形的特性正是水利工程各類信息化應用的重要數據基礎。試驗中，利用切片后的TDOM數據作為影像基礎構建了工程BIM+GIS數字化平臺，為工程定位、標繪、量測等各類應用提供了基本底圖，取得了良好應用效果。

4 結論

文章利用傾斜攝影技術生成的TDOM能滿足規范要求，消除了傳統DOM幾何精度差、遮擋漏洞等缺陷，自動化程度較高，精度和效果均得到有效提升。在TDOM制作過程中，影像高重疊度能直接提升產品質量，并能提供更豐富的地面紋理來修補漏洞，故采用傾斜攝影技術制作TDOM時，建議航向及旁向重疊度均不小于70%。

基于水利行業發展現狀，文章探討了TDOM在水利工程虛擬漫游巡線和信息化建設領域的相關應用，具有一定的推廣應用價值。針對TDOM在水利工程設計建造及智慧化、數字化領域的深層次應用，文章尚未深入研究，仍需進一步的探討與論證。