傾斜攝影三維模型在大比例尺測圖中的優(yōu)缺點分析

楊庚印

（山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

1.基本概念

1.1 傾斜攝影三維建模技術(shù)

傾斜攝影三維建模技術(shù)是指從幾個不同的視角同步采集影像和位置信息，獲取豐富的地表物體頂面及側(cè)面的高分辨率紋理數(shù)據(jù)；再通過相關(guān)專業(yè)軟件進行空三加密、影像密集匹配、紋理映射[3]而生成的一種客觀真實反映現(xiàn)實世界的三維模型。它包含了準(zhǔn)確、完整的地物信息和位置信息，具備可量測性，可直接在三維模型上進行地形圖測繪、各種量算及分析工作。

1.2 傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)

傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)是指利用在航空器上安置專用航空攝影儀對地面進行垂直攝影，按照相關(guān)規(guī)范要求獲取一定比例重疊度的航空影像；再通過專業(yè)軟件進行空三加密，計算出每張照片的空中位置和姿態(tài)（即外方位元素）。利用空三加密成果，可以生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）和數(shù)字線劃圖（DLG）等測繪地理信息產(chǎn)品。

1.3 大比例尺地形圖測繪

大比例尺地形圖測繪一般是指滿足國家1∶5 000、1∶2 000、1∶1 000、1∶500基本比例尺的地形圖測繪。因1∶5 000比例尺地形圖測繪更適宜采用傳統(tǒng)航測技術(shù)進行生產(chǎn)，采用傾斜三維建模技術(shù)生產(chǎn)沒有任何優(yōu)勢，故本文對該比例尺的優(yōu)缺點不進行分析研究。

2.工作流程

2.1 傾斜攝影三維建模測圖工作流程

傾斜攝影三維建模技術(shù)大比例尺地形圖測繪主要內(nèi)容包括傾斜航空攝影、像片控制點測量、空三加密、三維建模、地形圖測繪。工作流程如圖1所示。

2.2 傳統(tǒng)航測測圖工作流程

傳統(tǒng)航空攝影大比例尺地形圖測繪工作內(nèi)容主要包括航空攝影、像片控制點測量、空三加密、地形圖測繪。工作流程如圖2所示。

圖2傳統(tǒng)航測測圖工作流程圖

3.傾斜攝影與傳統(tǒng)航測優(yōu)缺點分析

3.1 數(shù)據(jù)量比較

常用的傾斜航空攝影相機一般搭載的是1個垂直相機和4個側(cè)視相機同步進行攝影；傳統(tǒng)航空攝影一般搭載1臺相機進行垂直攝影。兩者相比，如果采用相同的相機、航向和旁向重疊度，那么傾斜三維攝影獲取的照片數(shù)量就是傳統(tǒng)航測的5倍。而為了滿足后期數(shù)據(jù)處理，傾斜三維攝影和一般航空攝影都需要有一定的重疊度，兩種攝影方式的重疊度相關(guān)指標(biāo)如表1所示。在實際生產(chǎn)過程中，傾斜航空攝影時航向重疊度一般為75%左右，旁向重疊度為70%左右；傳統(tǒng)航空攝影航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%。所以傾斜三維攝影的數(shù)據(jù)量大主要就是鏡頭數(shù)多和影像重疊度大引起的。通過實際生產(chǎn)分析，傾斜三維攝影比傳統(tǒng)航空攝影獲取到的數(shù)據(jù)量大12倍左右。

表1傾斜航空攝影與傳統(tǒng)航空攝影相關(guān)指標(biāo)對比表

3.2 計算機硬件配置要求比較

傾斜航空攝影因其獲取的數(shù)據(jù)量大，通常軟件在處理時都是進行集群并行計算，這就對存儲的讀寫速度、網(wǎng)絡(luò)的交換速度、計算機CPU處理能力、內(nèi)存大小、顯卡緩存大小和顯卡GPU的計算能力等提出了較高要求。常見傾斜航空攝影數(shù)據(jù)處理計算機配置如表2所示。從表2可以看出，從事傾斜航空攝影數(shù)據(jù)處理對計算機要求更高。

在國內(nèi)的會計行業(yè)存在的競爭產(chǎn)生了與相關(guān)市場競爭區(qū)別較大的特征，產(chǎn)生了過度競爭的問題。過度競爭會導(dǎo)致極其惡劣的后果，其大部分表現(xiàn)有以下幾個方面：首先，過度競爭中的會計事務(wù)所一般通過降價收費來獲得市場，因為經(jīng)費不足時常會應(yīng)付工作，造成工作效率差。與此同時，過度競爭會造成會計事務(wù)所收取高額的分成亦或回扣，會阻礙市場的健康運行。部分還存在注冊資格造假的問題，其能力無法滿足工作的需求。在現(xiàn)實工作中出現(xiàn)過分追逐利益，不考慮行業(yè)規(guī)范的不法行為。在一定情況下，相關(guān)的注冊會計師為了可以招攬更多的業(yè)務(wù)，對其客戶所給的要求不加分析的實行，更有一些人會冒著違反法律的風(fēng)險執(zhí)行。

表2計算機配置表%%%%

3.3 生產(chǎn)效率比較

三維建模數(shù)據(jù)處理因其數(shù)據(jù)量大、像片畸變大，空三計算時，一般采用密集匹配，并要通過像點來計算新的相機參數(shù)，軟件操作簡單，但計算復(fù)雜；三維建模時，要計算地表所有物體的頂部和側(cè)面的表面模型、紋理映射。所以三維建模計算的工作量大，處理效率低。常用的三維建模軟件有Bentley公司的ContextCaptureCenter、瞰景公司的Smart3D、大勢智慧公司的重建大師和Skyline公司的PhotoMesh等軟件，這些軟件各有特色，瞰景公司的Smart3D空三模塊獨具優(yōu)勢，其他的建模效率基本相當(dāng)。

傳統(tǒng)航測法只要對像片進行連接點匹配和像控點刺點，并進行約束平差，就可以快速計算出照片的空中位置和姿態(tài)，引入立體采集軟件，就可以恢復(fù)立體進行地形圖采集。常用的空三加密軟件有訊圖公司的GodWork、GIP公司的Bingo、徠卡公司的LPS和Trimble公司的Inpho。訊圖公司的God-Work操作簡單，智能化程度更高。以計算30平方公里3厘米分辨率的三維模型和計算同樣面積傳統(tǒng)航測數(shù)據(jù)處理為例，三維建模和傳統(tǒng)航測效率比較如表3所示。

表3三維建模和傳統(tǒng)航測效率分析表

3.4 攝影地面分辨率高

在《GB/T 27920.1-2011數(shù)字航空攝影規(guī)范 第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》（以下簡稱《航空攝影規(guī)范》）中對攝影地面分辨率做了明確要求。實際作業(yè)過程中，為保證成果精度滿足對應(yīng)比例尺的要求，采用傾斜攝影三維建模技術(shù)時，選擇的攝影地面分辨率比《航空攝影規(guī)范》要求高。兩種攝影測量方法常用攝影地面分辨率如表4所示。%%

%%表4常用攝影地面分辨率對比表%%單位：厘米

3.5 地形圖測繪

3.5.1硬件要求

利用三維模型進行大比例尺地形圖測繪工作，硬件一般可以直接使用三維建模的計算機，配合普通的液晶顯示器，采用普通鼠標(biāo)加裸眼測繪模型，就可以開展工作。

傳統(tǒng)航測需要配備專業(yè)支持偏光的立體顯卡、立體顯示器和立體眼鏡和手輪腳盤，才可以開展測繪工作。傳統(tǒng)航測在設(shè)備的專業(yè)性這塊來說，它的要求更高。常見的手輪腳盤如圖3所示。

圖3手輪腳盤示例圖

3.5.2軟件要求

使用傾斜三維模型進行地形圖測繪常用的軟件有山維科技公司的EPS、南方數(shù)碼公司的CASS3D、天際航公司的DP-Model等國產(chǎn)軟件，其中山維科技的EPS軟件應(yīng)用最廣泛。這些軟件均有自己的三維模型格式轉(zhuǎn)換功能，可以高效引入OSGB格式三維模型，便于更好地支持本軟件測繪功能。

傳統(tǒng)航測進行地形圖測繪的常用軟件有適普公司的VirtuoZo、四維遠見公司的JX4、山維科技公司的EPS和航天遠景公司的Mapmatrix，因適普公司和四維遠見的軟件已多年未進行升級更新，現(xiàn)在市場上已很少見。現(xiàn)在傳統(tǒng)航測軟件主要以航天遠景公司的Mapmatrix軟件為主。

3.5.3人員要求

三維模型直觀易讀，人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)就可以開展工作；傳統(tǒng)航測因采用人造立體視覺模式工作，需要作業(yè)人員兩眼視力差別不大并長時間練習(xí)立體視覺，才能滿足工作要求。所以采用三維模型進行大比例尺地形圖測繪人員培訓(xùn)時間短，而傳統(tǒng)航測人員培訓(xùn)時間長。傳統(tǒng)航測的測繪人員可以直接轉(zhuǎn)為三維模型測繪人員開始工作，三維模型測繪人員不能立即轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)航測人員工作。

3.5.4成果精度

三維模型采用了比傳統(tǒng)航空攝影更高的攝影地面分辨率，像片重疊度大，像片間采用較密集的連接點關(guān)聯(lián)，平面、高程精度均能滿足《GB/T 7930-2008 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（以下簡稱《內(nèi)業(yè)規(guī)范》）要求，成果精度高。傳統(tǒng)航測法平面精度可以滿足《內(nèi)業(yè)規(guī)范》要求，高程精度因受基高比影響，精度較低。所以在采用傳統(tǒng)航測時，高程采集需要采用其他方法進行補充，或者可以適當(dāng)提高攝影時的地面分辨率，來滿足成果精度要求。

3.5.5測繪效率

（1）點狀地物和線狀地物測繪

點狀地物一般是指通過一個定位點并配置相應(yīng)的符號來表示地面的一種物體，如，電桿、路燈、井蓋等地物。線狀地物一般是指通過多個定位點的連線并配置相應(yīng)的符號來表示地面的一種地物，如，道路、陡坎、河流等。在采用傾斜三維模型測繪這兩類地物時，通過正視圖像視角就可以直接進行測繪，不需要在測繪過程中來回旋轉(zhuǎn)模型視角。所以采用三維模型和傳統(tǒng)航測兩種方法，效率相當(dāng)。

（2）建筑物測繪

三維模型可以直接觀測到建筑物的側(cè)面紋理，判讀建筑物的層數(shù)、類別、結(jié)構(gòu)等信息，可以直接測繪到建筑物底部，測繪精度較高，大幅降低了外業(yè)調(diào)繪人員工作量，采集精度滿足大比例尺地形圖中三種比例尺的測繪要求[2]；在采集時需要不斷地旋轉(zhuǎn)三維模型，采集效率低。傳統(tǒng)航測只能觀測到建筑物的頂部，采集時只顧及建筑物的頂部輪廓（含房檐），不考慮側(cè)面結(jié)構(gòu)，采集速度快，當(dāng)成圖要求進行房檐改正時，只能靠人工外業(yè)量測，極大地增加了外業(yè)調(diào)繪人員工作量，并且難以保證成果精度。在三維模型測繪沒有出現(xiàn)前，1∶2 000比例尺地形圖測繪一般采用航測法成圖，1∶1 000、1∶500一般都采用全野外測繪法成圖。綜合比較，三維模型采集效率高，并降低了人工勞動強度。

（3）等高線測繪

三維模型測繪時，靠鼠標(biāo)在模型上點擊，觸發(fā)軟件在模型上獲取位置，獲得單點的高程比較容易，而等高線測繪需要在同一個高程面上進行連續(xù)采集，三維模型不具備直接觀測功能，故不能直接測繪等高線，一般采用采集地面高程點反生成和輸出DSM濾波方法生產(chǎn)，地表植被較多時，等高線測繪會非常困難，并影響成果精度。傳統(tǒng)航測采用立體觀測，通過軟件可鎖定要采集等高線的高程，這樣只有在這個高程面上的立體才能真實顯示，離開這個高程面的立體視覺就產(chǎn)生視差，人員通過移動測標(biāo)找到同樣的高程面，就可以輕松進行等高線測繪。同時人工可以判讀植被高度，等遇到植被密集情況時，可以通過個別植被間的縫隙判讀植被高度，來獲取較準(zhǔn)確的等高線成果。

4.結(jié)束語

本文通過對傾斜攝影三維模型技術(shù)和傳統(tǒng)航測技術(shù)之間的對比，分析了兩種技術(shù)在各個生產(chǎn)階段的不同特點。是否采用傾斜攝影三維建模技術(shù)進行大比例尺地形圖測繪，應(yīng)根據(jù)成圖比例尺要求和自身的設(shè)備情況進行評定，如不考慮硬件設(shè)備投入，則：在進行1∶2 000比例尺地形圖測繪時，可以適當(dāng)?shù)靥岣邤z影地面分辨率，彌補高程精度的不足，宜采用傳統(tǒng)航空攝影方法進行生產(chǎn)，效率相對較高，成本相對較低；在進行1∶1 000、1∶500比例尺地形圖測繪時，適宜采用傾斜攝影三維建模技術(shù)進行生產(chǎn)，提高成果精度，減少外業(yè)人員勞動強度。