基于Mirauge3D和Context Capture的無人機傾斜攝影空中三角測量優化研究

王審娟

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

隨著農村房地一體項目和美麗鄉村建設項目如火如荼地開展，以及傾斜攝影技術的日益完善，傳統的生產地籍圖和立面圖的作業方式也發生了改變[1-2]。傾斜攝影技術已經被廣泛應用到大比例尺地形圖生產、地籍圖生產、立面圖生產和4D 產品生產中來，隨著實景三維中國項目的推進，傾斜攝影成果的用途越來越廣泛。基于垂直攝影的攝影測量軟件目前已經很多，且基本上都可以滿足生產需要，然而傾斜攝影測量軟件目前并不多，且每款軟件都有不足，很難利用一款軟件解決實際項目生產中的需求。本研究從傾斜攝影空中三角測量解算入手，對目前兩款用戶較多的軟件，利用兩組影像數差異較大的實際生產數據進行測試，結果表明，所測試的兩款軟件在對傾斜攝影數據進行空中三角測量解算時，各有優劣勢，通過將兩款軟件的優勢相結合，不但可以提高空中三角測量解算的精度，且提升了解算的成功率，可為從事相關工作的作業人員提供一種新的思路，來提高自身的技術水平，提高工作效率，為數據按時生產提供保障。

1 無人機傾斜攝影技術

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影是指在無人機的飛行平臺上掛載多個航攝儀，完成對地面影像數據的采集。常見的搭載的是5 個相機，其中1 個垂直相機，4 個側視相機，側視相機與垂直相機夾角一般為45°，側視相機焦距為垂直相機焦距的1.4 倍[3-4]。目前由于無人機對荷載質量有要求，加上相機價格昂貴，因此搭載的常為非量測數碼相機[5-6]。該相機存在畸變差，因此在使用影像進行數據解算時，都是需要對影像數據進行畸變糾正的[7]。畸變糾正一般有軟件外部糾正和軟件內部糾正兩種，由于不同軟件對數據糾正解算原理不一樣，因此常用的為軟件內部糾正，這樣便于軟件更好地對數據進行解算。利用建模軟件對傾斜攝影數據進行解算，可以得到空中三角測量加密成果和實景三維模型，基于上述產品，又可以生產傳統的4D 產品和立面圖、地籍圖等產品。

1.2 無人機傾斜攝影建模流程

無人機傾斜攝影建模主要包括兩部分，即外業數據采集和內業數據加工處理。外業數據采集是指按照一定作業流程，通過航飛的方式獲取航攝影像，主要包括航飛前的測區資料收集和調查，空域申請、航線規劃、控制點噴涂和測量、外業數據獲取。內業數據處理是指利用專業的建模軟件，通過自動或半自動的操作方式，將傾斜攝影數據轉為實景三維模型的過程。傾斜攝影建模主要流程包括數據預處理，空中三角測量，像控點轉刺與平差調整，多視影像密集匹配，密集數字地表模型（Digital Surface Model,DSM）生成，不規則三角網（Triangulated Irvegulav Network,TIN）構建與優化，白膜生成、紋理映射和格式轉換輸出[8-10]，其主要作業流程如圖1 所示。

圖1 無人機傾斜攝影建模流程示意圖

2 空中三角測量原理

航攝影像，具有一定的重疊度，然后基于特征檢測、特征提取、圖像相似度計算、特征匹配、平差調整等一系列算法，得到基于定位定姿系統（Position and Orientation Systen,POS）坐標系下的虛擬坐標，然后結合外業采集的像控點，將像控點轉刺到影像對應的實際位置上，再通過平差調整，將虛擬坐標系下的虛擬坐標轉為控制點坐標系下的絕對坐標。通過空中三角加密解算，就可以得到立體像對，通過立體像對，就可以獲得影像上任何一點的三維坐標，基于此，才可進行地形圖等其他測繪產品的生產。

3 實景三維模型生產原理

空中三角加密成果只是一個定位點，對于后期生產實景三維模型是不夠用的。其加密的成果，只是少量稀疏的三維點坐標，這些點坐標，由于密度低，不能準確地反映實地的地形起伏變化。為了解決這一問題，在算法方面，引入了多視影像密集匹配技術。多視影像密集匹配是基于現有的空中三角成果，計算測區每個物方點的三維坐標，并將計算得到的結果保存下來。通常主要分為構建尺度空間、特征點檢測及定位和確定特征點方向3 步。得到密集的三維點坐標后，需要通過構建不規則三角網的形式，對離散的三維坐標點進行構網，這樣就可以得到TIN 模型，而TIN 模型是目前公認的，最能準確描述地表的真實起伏形態。在構建三角網的時候，應遵循構建的面互不交叉、互不重疊這一原則。

實景三維模型可以真實準確地反映現實狀態，而構建的TIN 模型屬于白膜，沒有貼圖，這樣給人的感覺不直觀、不真實，因此需要對其進行紋理映射。紋理映射目前主流的方法有正向映射和反向映射。紋理映射依據的核心理論是共線方程，即攝影測量基礎理論中的物像空間中的物點、紋理影像空間中的像點和投影中心這三點共線。依據共線方程與影像的外方位元素將三角網上的3 個點坐標投影至影像的像方坐標系中，結合建模工作前期計算過程中金字塔解算、點云匹配、空中三角運算等工作，最后計算出3 個投影點的紋理坐標，通過這個三角形在二維影像上形成的區域將所需的紋理投影至三角網上，最后通過處理篩選多幅影像內的紋理進一步選出貼近現實的模型紋理，這樣就可以得到帶有紋理貼圖信息的三維模型，也就是常說的實景三維模型。

4 項目驗證

4.1 測區概況

（1）測區1 位于某一農村村落，房屋較密集，測區面積約1 km2，高差約10 m，項目主要是通過傾斜攝影的方式生產地籍圖。結合地形和項目需求，選用旋翼機，搭載5 鏡頭相機，垂直焦距35 mm，側視焦距均為50 mm，航向、旁向重疊度均設置為85%，航飛90 m，地面采樣分辨率為1.3 cm，航飛2 架次，共獲得有效影像數13 055 張，5 個相機共用下視鏡頭POS 數據，按照150 m 距離均勻采集像控點40 個。

（2）測區2 位于某城區某一巷道，巷道兩側樹木較少，房屋較規整，長約150 m，項目主要是通過傾斜攝影的方式生產立面圖。結合巷道實際情況和項目需求，選用旋翼機，搭載5 鏡頭相機，航飛80 m，地面采樣分辨率為1.2 cm，沿巷道走向對巷道兩側建構筑物進行傾斜攝影，航飛1 架次，共獲得有效影像數1 540 張，5 個相機共用下視鏡頭POS 數據，采集像控點6 個。

4.2 建模軟件簡介

（1）Mirauge3D（以下簡稱M3D）軟件。該軟件是北京中測智繪自主研發的一款實景三維建模軟件，可自動對POS 數據坐標進行轉換，可自動將二維影像轉為實景三維模型，支持海量數據的運算。獨特的空中三角測量機制，將海量數據自動劃分為多個任務，依次完成每個任務的解算，最后利用單機模式完成區塊空三成果的自動融合，在空中三角解算方面，具有非常明顯的優勢。但是通過對現有版本進行測試，該軟件生產的模型，優勢不明顯，在多數情況下，是難以滿足項目需求的，因此該軟件并不適合用于模型的生產。

（2）Context Capture（以下簡稱CC）軟件。該軟件是Bentley 公司名下的一款自動建模軟件，支持多源數據、點云數據的建模，軟件解算效率高，生產的模型精細度很高，支持集群提取特征點，單機完成平差調整，輸出成果格式多，是目前用戶使用最多的一款建模軟件。但是該軟件劣勢也比較明顯，就是不適合用于解算影像數較多的空中三角，通過率并不理想。

4.3 基于M3D 軟件的空中三角測量解算

對測區1 和測區2 的數據進行預處理。M3D 軟件中不允許導入的影像存在重名，因此需要對影像和POS 進行重命名。利用拖把更名器對5 鏡頭影像進行重命名，確保5 鏡頭影像無重名；對POS 數據重命名，確保POS 名和影像名一一對應。按照常規操作，新建工程，導入影像和POS 數據，完善相機參數，根據像控點求出測區平均高程，提交空中三角測量任務，打開并設置引擎路徑，開始空中三角測量解算。解算完成后，查看成果，測區1 和測區2 解算成果均無明顯分層，將像控點全部進行轉刺，并提交平差任務。平差完成后，查看平差報告，可得出：測區1 中加密點重投影中誤差為0.94 個像素，加密點中誤差為0.76 個像素，像控點平面中誤差為0.054 m，約為，高程中誤差為0.061 m。測區2 中加密點重投影中誤差為0.91 個像素，加密點中誤差為0.74 個像素，像控點平面中誤差為0.049 m，高程中誤差為0.057 m。測區1 和測區2 中加密點重投影中誤差均小于1 個像素，加密點中誤差均小于0.8個像素，空中三角測量成果可用，但是精度較差。

4.4 基于CC 軟件的空中三角測量解算

對測區1 和測區2 數據進行預處理。CC 軟件中允許影像重名，因此無需對影像進行重命名。新建工程，導入影像和POS 數據，完善相機參數，對影像進行快速檢查，影像無損壞，均可使用。按照軟件默認參數，提交空中三角測量任務，設置路徑并開啟引擎，完成對任務的解算。解算完成后，查看成果，測區1 解算成果不可用，出現了明顯的分層，5個鏡頭數據分成了5 個層；測區2 成果無明顯分層，轉刺像控點并平差，平差結束后查看平差報告，報告中加密點重投影中誤差為0.31 個像素，加密點中誤差為0.28 個像素，像控點平面中誤差為0.011 m，高程中誤差為0.015 m。測區2 空三解算成果可用，精度較好。

4.5 基于M3D 和CC 軟件的空中三角測量解算

將M3D 軟件中2 組測試數據空中三角測量成果導出為可交換格式的xml，在導出時將連接點也一并導出，將導出的成果導入CC 軟件中，并在成果的基礎上再次提交一次任務，加密點重新進行計算，待解算完，查看空中三角測量報告。具體數值見表1。

表1 在不同測區各軟件成果統計表

通過表1 可以看出，M3D 在空中三角測量解算時，通過率很高，但是精度較差，在精度要求高的前提下，其不具有明顯的優勢；CC 在空中三角測量解算時，通過率較低，但是精度較高，適合用于高精度空中三角測量，但是由于失敗率高，因此在實際作業過程中，可能會浪費很多時間在解算上；將M3D解算的成果導入CC 軟件再次解算，不但空中三角測量解算通過率提高了，而且精度也有了明顯的提升，對于多數項目而言，該方案可能更適合用于項目的生產。

雖然優點很明顯，但是也存在一定的缺點。第一，兩款軟件搭配使用，對作業員要求比較高，需要作業人員掌握兩款軟件；第二，兩款軟件均屬于商業軟件，同時采購兩款軟件，對多數單位來說，并不容易實現。

5 結束語

本研究以2 組數據為例，對兩款軟件在空中三角測量解算環節的精度和通過率進行對比分析，得出兩款軟件各自的優勢，并將二者的優勢相結合，再次進行空中三角測量解算驗證，實驗表明，將二者的優勢相結合，不但可以提高空中三角測量環節解算的通過率，而且精度也有了明顯的提升。對于要求不高的項目，可以采用M3D 軟件直接進行解算；對于影像數少，要求高的項目，可以采用CC 軟件作業；對于要求較高，且影像數多的項目，可以采用本研究的方案進行作業。