傾斜攝影測量技術應用及前景分析

［關鍵詞］傾斜攝影測量；技術流程；應用現狀；前景

傳統航空攝影的像片傾角不超2～3度，有助于正射糾正和立體測圖等操作，但將喪失地物側立面細節。而運用傾斜攝影測量技術從多角度拍攝，依靠多傳感器完成地物信息全方位采集，能夠獲得三維立體信息，直觀反映不同地貌情況，近年來應用范圍逐步擴大。但在傾斜攝影測量技術應用實踐中，建模過程可能受到多種因素影響，引發模型局部缺陷，所以想要反映地物外觀信息，需要獲取高精度三維模型。加強該技術應用研究，探尋技術未來發展趨勢，能夠為相關工作提供參考。

1. 傾斜攝影測量技術流程

開展傾斜攝影測量工作，按流程需要先獲取影像數據，提前結合測量區域情況做好航線規劃，合理完成航空器飛行高度、重疊度等參數設置。將獲得的數據導入Smart3D等軟件進行處理，設置坐標系統等參數，能夠自動完成數據空三處理，生成三維模型和實現數字正射影像（DOM）重建。采用三維實景模型處理系統（EPS）軟件進行三維測圖，通過加載三維模型等完成數據轉換，能夠輕松獲得地面高程點等數據，完成模型矢量化處理，直接錄入地物屬性信息[1]。而無人機位置、姿態等數據是基于WGS84坐標系統生成，地籍坐標則為CGCS2000坐標系統，需完成坐標和空間轉換，確保界址點數據能夠均勻分布，達到較高精度要求。針對測量成果需要展開精度分析，通過獲取特征點實測坐標和地圖坐標完成地物點在不同坐標方向殘差值計算，并對平面和高程中誤差展開分析，驗證結果的可靠性。從總體上來看，傾斜攝影測量技術在測繪信息行業應用流程大致相同，即包含傾斜攝影和三維建模兩個階段，但用于大比例尺測圖、工程測量、城市三維建模等不同領域，需要結合實際需求把握影像采集、建模等細節，通過優化技術流程取得理想的應用效果。

2. 傾斜攝影測量技術應用分析

2.1 實例概況

實例為安徽某地區1∶500地形圖測繪項目，以測區地形測量為主，地面分布建筑物、林地、草地等地物。測區面積約1.5 km2，屬于淠河沖積平原，整體地勢相對平緩，起伏較少，可以開展無人機傾斜攝影測量工作。

2.2 航拍參數

根據現場地形條件，選用大疆4Pro多旋翼無人機搭載單鏡頭相機進行影像數據采集。使用的航空器技術參數如表1所示，能夠垂直起降且操控簡單，適用于低空飛行。航拍系統由航空器、遙控器、飛控軟件、PC和云臺相機構成，云臺能夠在-90°～±300°范圍內轉動。相機為24 mm的FOV84。鏡頭帶自動對焦f/2.8-f11，傳感器為CMOS，像素達到2000萬。為達到五鏡頭攝影效果，通過DJIGO4軟件完成環繞飛行模式設置，通過單點360°無死角拍攝完成地形地物傾斜攝影，角度達到-45°，選擇太陽高度角大于30°擇時進行影像采集，保證光強的同時減少陰影[2]。將各圓形航線當成一個點，按照設定飛行半徑進行飛行和拍照，設定半徑超出高度20 m。而航拍高度為80 m，半徑為100 m，將航向重疊度設定為85%，旁向為80%，地面分辨率達到3 cm。

2.3 像控點布置

按照如圖1所示技術流程，完成相機參數設置和數據檢查等前期操作后，需要采用GNSS-RTK技術確定像控點坐標，完成數據編輯，得到刺點后進行空中三角測量。根據現場勘探情況在公路等空曠區域布置像控點，考慮到建筑物較多需要采取網布點，按照航高、重疊率等確定相鄰像控點距離。在建筑密集區域布置非地標點，完成航拍后對明顯地物點進行判斷。在使用載波相位差分技術（RTK）測量像控點時，需要保證水準氣泡處于正中位置，通過連測3次取平均值作為信號固定解，確保每次結果互差不超2cm[3]。共完成36 個像控點數據采集，采用CGCS2000國家坐標系統，完成27個像控點空三解算，利用剩余點完成模型精度檢驗。

2.4 模型構建

對獲取的數據進行檢查，應確認拍攝的照片清晰，同時數量足夠。發現照片模糊、過暗等情況需及時補拍，針對少數照片色彩亮度低等情況利用Photoshop軟件完成勻色處理。利用野外控制點進行空三測量，對控制點進行加密，通過Context Capture軟件進行加密點高程、位置分析，提供絕對定向控制點。利用軟件自動建模，將像片單束光線當成平差單元進行建模，利用共線方程完成平差運算，對外方位元素進行解算，獲得加密點地面坐標，生成空三測量結果[4]。運用密集匹配技術完成同名點匹配，可以準確獲取地物信息，做好模型細節處理。對海量特征點進行提取，完成密集點云構建，并進行濾波提高數據精度。利用高精度點云建立三角網（TIN），需要先完成物體TIN構建，然后進行整體模型構建，在航片重疊度較高的情況下可以獲得密集的TIN，反映真實地物結構。根據TIN構建白模型，根據二維空間點和三維物體表面對應關系完成紋理映射，能夠生成色彩真實的三維模型。

2.5 測圖分析

利用模型進行測圖，使用三維測圖系統（EPS）采集數字線劃圖，直接將模型導入系統平臺，由OSGB格式轉換為DSM格式，然后在系統中加載，完成參數設置。在模型上進行點、線、面數據測量，并完成圖層和屬性設定，能夠完成內業數據采集。針對無法確定屬性地物，需要通過外業調繪進行補測，繪制對應區域線劃圖。

2.6 精度檢驗

在地形圖制作過程中，應先確認測圖能否通過精度檢驗。在測區內選擇9個檢查點，利用RTK技術完成各點坐標測量后，在三維模型上讀取各點坐標，對X方向和Y方向上二者差值ΔX和ΔY進行計算，統計精度，能夠得到三維模型平面誤差最大為0.329m，分析得到中誤差為0.07m，高程最大誤差為0.362m，中誤差為0.09m（表2），符合1：500地形圖測量規范，說明采用傾斜攝影測量技術繪制的大比例尺地形圖精度較高，可以滿足需求。

3. 傾斜攝影測量技術應用展望

結合技術應用實踐可知，采用傾斜攝影測量技術能夠完成三維實景模型的自動化構建，在測圖工作中達到了較高精度。從五個角度完成地面物體的拍攝，能夠獲得全面的地物紋理信息，利用提取和貼紋方式降低建模成本，并通過疊加二、三維數據輸出DOM、數字高程模型（DSM）等豐富數據成果。通過全自動拍攝和建模，可以大大縮短建模時間，提高測量工作效率的同時，無需開展大量的外業工作，能夠明顯降低勞動強度。伴隨傾斜攝影測量技術的發展，衍生出了多視影像、三維測量等關鍵技術，還應進一步了解技術應用情況。

3.1 關鍵技術

3.1.1 多視影像

應用傾斜攝影測量技術，可以通過增加不同視角影像數據完成多影像聯合平差和密集匹配。而在全面反映地物紋理信息的同時，需要認識到各部分攝影比例具有漸變特點，應解決各像點分辨率不同等問題，以便通過去除粗差提高結果精度。采用多視影像技術進行測量數據處理，將根據影像間的幾何變形和遮擋關系進行聯合平差。對影像外方位元素進行同步采集，利用金字塔匹配策略完成各級影像同名點匹配，能夠利用網光束法進行平差，獲得可以高精度匹配的同名連接點[5]。針對各連接點和控制點坐標和輔助數據建立誤差方程，對影像進行自校驗，能夠通過聯合結算提高平差精度。在影像數據較多的情況下，需要考慮數據冗余問題，根據同名點坐標獲取地物三維信息，進行影像密集匹配。結合無人機拍攝特點，使用mean shift法完成影像色彩分割，并通過半全局匹配方式獲得初始視差圖。將分割得到的塊當成最小單元，通過Ransac法擬合分析，能夠對視差平面進行精化。通過置信度傳播方式進行分配，可以進一步提高結果精度。

3.1.2 三維測量

在傾斜攝影測量中，三維測量為關鍵組成部分，能夠通過將影像數據轉化為矢量數據為后續工作奠定基礎。運用三維測量技術要求在航拍過程中完成時間同步記錄，通過有效核對信息降低數據錯誤發生概率，并通過校對信息獲得準確數據。在測量區域范圍較大時，將獲得龐大數據信息，需要建立數據庫加強各數據端連接，確保能夠依靠計算機完成數據準確處理。采用模擬處理方式，通過構建數學模型進行數據特征分析，能夠降低誤差數值，保證模型質量。在實踐過程中，可以利用自動化建模軟件輸出標準OSGB數據格式，自帶LOD層級結構，可以通過超圖軟件完成對應格式數據讀取，并通過match完成數據優化調度。

3.1.3 單體化

針對三維模型進行處理，需要解決單體分離問題。而采用單體化技術，能夠憑借三角面片可分割性質進行模型邊界確定。完成切割多邊形的繪制，利用包圍盒方法完成求交檢測，能夠進行三角面片切割，快速生成三角網。根據三角網和多邊形交點進行計算，考慮不同相交情況，能夠運用多種切割方法進行模型處理。完成三角網的剪裁和重構，重新賦予紋理，能夠完成多細節分層，繼而生成單體模型。

3.1.4 效果修補

在實景模型生成過程中，按照傾斜攝影測量流程需要利用軟件自動生成。但在拍攝過程中，受角度等影響容易出現模型表面平整度差的問題，造成模型出現失真問題。在應用過程中，需要完成效果修補，將空洞區模型導出后提取邊界，完成三角網重構。對模型表面進行修正，目前可以采用超圖軟件等多種軟件。在實踐中，需要利用帶水面符號完成空洞水體的修復，以便使生成的模型帶有水紋等視覺效果。

3.2 應用現狀

通過加強各種關鍵技術的應用，傾斜攝影測量技術精度逐步提升?，F階段，傾斜攝影測量技術在礦山測量、工程測繪、城市規劃等各個領域得到了應用。如在礦山測量方面，應用該技術能夠完成礦山內部測量，完成泥石流、滑坡等各種地質災害探測。通過無人機搭載攝像頭進入礦山內部，能夠對礦山內部環境圖像測繪，為分析礦山活動帶來的環境變化提供依據。但在技術應用實踐中，受礦山內光線、信號干擾等因素的影響，無法有效保證測繪精度，給技術應用帶來限制。在工程測繪領域，應用該技術能夠全面反映測區交通、水系、建筑等各種情況，提高外業勘測效率，通過三維建模為工程設計提供科學依據。近年來在城市規劃工作中，由于實體信息均通過三維模型承載，傾斜攝影測量技術得到了應用。在智慧城市建設過程中，為獲得多尺度、多時空的信息，需要利用無人機航拍方式進行地表各類建筑物的測量，通過三維可視化模型為城市規劃設計提供地理信息服務。但值得注意的是，技術應用將受到航片質量影響，繼而受到天氣、遮擋物等復雜因素的限制。如受天氣因素影響，飛行平臺無法保持穩定，將造成航片重疊度范圍等發生變化，繼而給影像糾正效果帶來不利影響。而因遮擋物的存在導致部分測量數據存在較大誤差，也將造成測量精度不高。

3.3 發展展望

根據技術應用現狀可知，想要取得更好的發展前景，需要保證測量數據的精確性。目前數據精確性問題集中在比例尺方面，受影像光照、色彩信息差異性等因素限制容易產生偏差。為解決這一問題，需要在軟硬件方面進行改進，獲得更強的影像信息提取和處理能力。一方面，可以加強5G等技術運用將互聯網地圖升級為三維地圖，通過不斷豐富三維模型數據提高技術精度。針對屋檐、樹下遮擋等區域建模容易出現拉花、扭曲等情況，需通過約束建?；蛸N近補拍等方式提升模型輸出質量。在基礎上，加強大數據、云計算等各種先進技術的運用，研制出功能更強大的數據處理軟件，憑借強大運算力不斷提高三維模型精度。另一方面，以無人機為載體進行影像數據采集，需要持續研發穩定性更高的航拍平臺，同時延長無人機航拍時間，減小影像光照和色彩差異性等因素帶來的影響[6]。此外，應完善內業數據處理規范，制定科學的三維建模外業攝影技術標準，全方位提高數據采集質量和效率，降低后期數據處理難度。伴隨著相關技術的發展，深入挖掘傾斜攝影測量技術的應用價值，能夠使技術逐步向軍事、民用等各個領域遷移，完成相應測量軟件開發，以便抓住時代機遇為測量行業帶來的技術大變革。

4. 結論

在地形圖測繪實踐中，結合測區情況合理設置航拍參數和完成像控點布置，能夠完成三維模型構建，達到1∶500圖形測繪要求，凸顯了傾斜攝影測量技術在該領域的應用價值。而加強多視影像、三維測量等關鍵技術的應用，能夠進一步提高傾斜攝影測量精度，促使該技術應用范圍不斷擴大，在工程測繪、城市規劃等各領域獲得較好應用前景。但從技術應用現狀來看，仍然存在輸出模型精度不高的問題，需要通過約束建模、研發高性能航拍平臺等措施提高測量精度。