無人機傾斜攝影空中三角測量解算關鍵技術優化研究

邵金鵬

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

近年來，傾斜攝影測量建模技術發展迅速，“房地一體”“實景三維中國”以及大比例尺地形圖測繪等重大項目都在采用該技術，解決該技術目前存在的問題，可以有效提升數據生產效率，保證項目順利完成。

針對傾斜攝影空中三角測量解算優化，多數研究學者都是從如何獲取高質量外業影像成果、怎樣提升內業影像成果質量入手[1-3]，很少有學者從軟件目前的算法入手，分析軟件解算數據的過程，針對解算過程進行優化。

本文對傾斜攝影測量的原理、目前主流建模軟件和建模流程進行簡單介紹，重點分析目前軟件空中三角測量存在的問題，針對問題提出相應的解決方案，并通過實際項目進行實驗驗證，實驗結果表明，本文提出的空中三角測量優化方案，可有效提升空中三角測量的通過率和成功率，有效提高數據生產效率，可為傾斜攝影測量建模相關作業人員提供有效參考。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 無人機傾斜攝影測量建模原理

傾斜攝影測量是相對于垂直攝影測量來說的，傳統的搭載單鏡頭進行航空攝影測量作業的方式被稱為垂直攝影測量；而同時搭載多鏡頭，從多角度獲取地面影像的方式被稱為傾斜攝影測量[4]。垂直攝影測量一般可以直接獲取建構筑物頂部信息；傾斜攝影測量除了可以直接獲取建構筑物頂部信息外，其搭載的側視鏡頭可以獲取建構筑物的側面紋理信息[5]，這為地物真實還原提供了保障。

在傾斜攝影測量建模里面，無人機通常搭載的相機有2 鏡頭相機和5 鏡頭相機，其中5 鏡頭相機搭載1 個下視鏡頭和4 個側視鏡頭，下視鏡頭與側視鏡頭呈45°夾角，側視鏡頭焦距一般是下視鏡頭的1.414倍，這樣能夠確保獲取的影像地面分辨率盡可能一致。

1.2 無人機傾斜攝影測量建模軟件

建模軟件最著名的是Bentley的Context Capture（原Smart3D），目前使用人數最多的也是該款軟件。除了這款軟件外，常用到的建模軟件還有Pix4D、PhotoScan、Photomesh、Mirauge3D、重建大師、大疆智圖、瞰景的Smart3D等。這些軟件各自都有其特點，在實際生產中，都是被用來進行數據生產的。由于每個軟件的優勢不一樣，因此在處理有的數據時，需要多個軟件組合使用。就目前的軟件使用經驗來說，單機處理數據效率最高的是大疆智圖，一次性處理影像數據最多的是瞰景的Smart3D和Mirauge3D，建模效果較好的是Context Capture、瞰景的Smart3D和大疆智圖。

1.3 無人機傾斜攝影測量建模流程

無人機傾斜攝影測量建模工作主要分為外業工作和內業工作，外業工作主要有測區勘查、數據搜集、空域申請、航線規劃、影像數據獲取和控制點坐標采集；內業工作主要有對外業的數據預處理、工程建立、空中三角測量加密解算、控制點轉刺平差、多視影像密集匹配、構建不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN）、白膜生成、紋理自動優化映射、模型格式轉換輸出等。具體的無人機傾斜攝影測量建模流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影測量建模流程

2 空中三角測量解算關鍵技術優化研究

空中三角測量解算是整個內業數據處理中最為重要的一個步驟，也是無法人為干預的一個環節。對于空中三角測量解算，本文從以下3個方面進行分析，對其進行優化，使空中三角測量解算精度和成功率都得到提高。

2.1 數據冗余問題

數據冗余是指兩方面的冗余：一方面是傾斜攝影測量本來鏡頭多，且航向重疊度、旁向重疊度都在80%以上，這導致了數據量大；另一方面是無效影像的數據冗余，無效影像是指對建模效果不產生影響的影像，這些影像主要位于任務區的測區邊緣。在正常航空攝影測量作業中，為了保證測區邊緣生產的模型效果好，都會外擴至少1 個航高，由于搭載的是5鏡頭，這樣就會獲取很多無效影像。這些無效影像的存在，一方面影響了空中三角測量解算的速度和效率；另一方面測區邊緣的影像重疊度相對較差，這增加了空中三角測量解算的失敗率。因此，解決數據冗余問題，可以有效提升空中三角測量解算的效率和成功率。

結合5鏡頭安置位置和飛機飛行方向，可以很容易獲取測區邊緣的無效影像。基于此，在數據處理時，采用MATLAB語言開發了一款無效影像剔除軟件，可以有效剔除測區邊緣無效影像。

2.2 POS 數據不對應問題

定位定姿系統（Position and Orientation System，POS） 數據不對應主要是指POS 數據位置和相機曝光位置不對應。目前主流的5 鏡頭相機，在數據解算時，都采用下視鏡頭的POS 數據來代替側視鏡頭的POS 數據，并沒有考慮鏡頭之間的安置關系，這不利于數據順利解算。

針對POS 數據不對應問題，分析5 鏡頭之間的安置位置關系，可以準確獲取4個側視鏡頭和1個下視鏡頭之間的安置位置關系。通過下視鏡頭，結合平臺檢校參數，采用MATLAB語言開發了一款5鏡頭POS數據解算軟件，分別計算得到4個側視鏡頭的POS數據坐標值。這樣使得POS數據和像片一一對應，在數據解算的時候，有利于空中三角測量解算，也可以有效提高空中三角測量精度。

2.3 相機參數不精確問題

目前已有的相機檢校場和檢校軟件，是針對垂直攝影測量設計的，其可以對下視鏡頭像片進行精確數據解算。傾斜攝影測量由于側視鏡頭視場角變化大，無法對其進行精確數據解算。在數據解算時，都是輸入粗略的焦距，并不是精確的相機參數。通過垂直攝影測量數據解算可知，相機參數精確，有利于數據解算，因此，獲取精確的相機參數，可以有效提升傾斜攝影空中三角測量解算的效率和精度。

從相機參數優化方面入手，可以在正式生產數據前，先用少量像片進行空中三角測量解算，并轉刺3~4個控制點進行平差調整，得到精度合格的空中三角測量成果。此時的相機參數是已經優化后的，可以將此相機參數作為初始值，用來進行正式數據解算。利用精確的相機參數，不但可以提高數據解算效率，而且可以提高數據解算精度，有利于提升空中三角測量加密成果質量。

3 基于Smart3D軟件的無人機傾斜攝影測量建模

3.1 項目與任務區概況

本次項目為河湖確權項目，采用傾斜攝影測量完成地面分辨率優于3 cm 的原始影像數據獲取。任務區寬300 m，長約50 km，共獲取影像35 650 張。

3.2 數據預處理

按照本文提到的方法，對獲取的影像數據、POS 數據和相機參數進行優化。首先，利用無效影像剔除軟件對原始影像進行處理，剔除無效影像3 252 張；其次，采用5 鏡頭POS 數據解算軟件，結合下視鏡頭POS 數據，分別解算出4 個側視鏡頭的精確POS 數據；最后，利用300 張影像進行空中三角測量解算，并轉刺5 個控制點，通過平差調整，得到優化后的精確相機參數。

3.3 工程建立

新建工程，加載有效影像32 398張，并導入解算后的POS 數據，然后手動填入優化后的相機參數，設置任務路徑，便于后期集群進行數據解算。

3.4 空中三角測量解算及平差

在工程建立完成后，就需要進行空中三角測量解算了。為了對比空中三角測量優化前后的效果，首先利用35 650 張影像和下視鏡頭的POS 數據整體進行空中三角測量解算，結果空中三角測量解算雖然未失敗，但是整個帶狀任務區呈現彎曲現狀，通過轉刺控制點及平差調整多次，彎曲現狀并未發生明顯變化，即優化前的空中三角測量解算總體是失敗的，成果不可用。

按照本文的方法，對有效影像進行解算，自由網空中三角測量一次性完成，空中三角測量整體呈水平狀態，成果可用。將控制點轉刺到空中三角測量中，并進行平差調整，通過查看平差報告可知，空中三角測量精度質量高，空中三角測量成果可用。較優化前，不但成果可用，而且空中三角測量解算用時少，精度高，數據解算效率有了明顯的提升。

3.5 實景三維模型生產

在空中三角測量完成的基礎上，進行實景三維模型的生產。結合集群電腦的配置，設置合理的瓦片大小。本次集群電腦中配置最低的電腦內存為32GB，因此在瓦片大小設置時，設置為120 m，預計需要內存14 GB。這樣可以確保在建模過程中，可以一次性得到實景三維模型，降低瓦片重建的失敗率。導入任務區范圍線進行實景三維模型輸出約束，提升實景三維模型輸出的可用率。

實景三維模型生產完成后，通過人機交互的方式查看任務區的測區邊緣的實景三維模型。任務區的測區邊緣的實景三維模型重建完整，質量良好，說明剔除無效影像未對實景三維模型質量產生影響。

3.6 精度檢測及統計

本次河湖確權項目，需要生產1∶500比例尺地形圖，因此對實景三維模型精度需要進行檢測。采用同精度檢測方式，利用82 個檢測點對實景三維模型精度進行檢測。通過檢測可以得知，在82 個檢測點中，平面最大較差為0.125 m，平面中誤差為±0.064 m，高程最大較差為0.213 m，高程中誤差為±0.071 m，成果精度符合1∶500 比例尺地形圖的測圖規范要求。

4 結束語

在傾斜攝影測量建模數據處理中，空中三角測量解算是最重要的一個步驟。本文分析了影響空中三角測量解算的3 個因素，并提出相應的解決方案。以實際項目為例，通過關鍵技術優化前后的空中三角測量解算進行對比分析，結果表明，采用本文的關鍵技術優化方案可有效提升傾斜攝影空中三角測量解算的效率和成功率，并未對實景三維模型質量帶來影響，可以為同行的建模人員提供有效參考。