無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用研究

吳玉文

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；實(shí)景三維建模；空三解算優(yōu)化；單體化建模

0 引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是隨著實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的提出，加快了傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)的發(fā)展和軟件的更新。無(wú)人機(jī)傾斜攝影主要包括兩部分內(nèi)容，即外業(yè)影像數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)的解算。對(duì)于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的解算，許多學(xué)者進(jìn)行了分析研究。騰月[1]等人對(duì)不同類(lèi)型無(wú)人機(jī)在大場(chǎng)景實(shí)景三維建模中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并對(duì)不同的作業(yè)方式效率和精度進(jìn)行了分析。鐘亮[2]等人對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)從外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩方面進(jìn)行了介紹，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，驗(yàn)證了生產(chǎn)的實(shí)景三維模型其坐標(biāo)精度和邊長(zhǎng)精度，均可以滿(mǎn)足城市實(shí)景三維模型建設(shè)的精度要求。孫樹(shù)芳[3]以無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)為例，采用CCC軟件進(jìn)行建模，對(duì)空三注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討，并得出基于傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的模型，精度可以滿(mǎn)足城市三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范相關(guān)要求。田海林[4]和魏軍[5]分別對(duì)傾斜攝影建模流程進(jìn)行了介紹，并以實(shí)際項(xiàng)目為例進(jìn)行了分析。王萍等[6]對(duì)傾斜攝影建模存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了模型優(yōu)化的具體方案，取得了不錯(cuò)的效果。魏軍[7]從可調(diào)整質(zhì)量元素及權(quán)重的檢查方面入手，對(duì)不同項(xiàng)目下模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)提出了對(duì)應(yīng)的方案，并對(duì)模型質(zhì)量存在的問(wèn)題及原因進(jìn)行了分析。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)空三精度低、易失敗的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案。以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并且對(duì)模型存在拉花變形的問(wèn)題，提出了采用SVSModeler軟件進(jìn)行模型單體化的方法，得到了質(zhì)量更高的模型成果，有效解決了傾斜攝影空三解算精度低、易失敗的問(wèn)題和模型拉花變形的問(wèn)題，為城市實(shí)景三維建模提供了借鑒。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是基于傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，其解決了傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)中地面正射影像獲取困難的問(wèn)題。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用無(wú)人機(jī)作為攝影平臺(tái)，通過(guò)搭配多個(gè)傳感器與攝影鏡頭，獲取多層次、多維度的地物信息。圖1 為傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理。

傾斜攝影系統(tǒng)主要包括雙鏡頭和五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)。雙鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)彌補(bǔ)了單一視角下影像信息量不足的特點(diǎn)，有效減少了戶(hù)外工作量以及無(wú)人機(jī)的自重。五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)相較于雙鏡頭以及傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)量更為龐大，采集的影像更為全面，構(gòu)建的三維模型更加精確，圖2（a） 、（b） 分別為雙鏡頭、五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)。

2 傾斜攝影空三分析

傾斜影像空中三角測(cè)量解算成果的影響因素除了與軟件算法有關(guān)外，還與輸入軟件的參數(shù)有關(guān)。輸入軟件的參數(shù)主要包括影像、相機(jī)參數(shù)和POS數(shù)據(jù)。下面將對(duì)不同參數(shù)對(duì)空三解算精度和成功率的影響進(jìn)行分析，并提出可行的解決方案。

2.1 影像對(duì)空三解算的影響

影像對(duì)空三解算的影響主要從兩方面入手，即影像的質(zhì)量和影像的分辨率。影像的質(zhì)量主要是影像表征的質(zhì)量，即影像的對(duì)比度、不同地物的易辨別度、影像是否存在云影等。對(duì)于存在云影的問(wèn)題，在保證重疊度等條件滿(mǎn)足建模的情況下，可以將這部分影像進(jìn)行剔除。對(duì)于影像對(duì)比度低的問(wèn)題，可采用對(duì)比度拉伸的方式提升影像對(duì)比度。而對(duì)于影像模糊、地物不易辨別的問(wèn)題，可采用影像勻光勻色技術(shù)提升影像的可辨別度和整體表征質(zhì)量。影像的分辨率主要影響影像的準(zhǔn)確匹配平差，當(dāng)分辨率相同時(shí)，影像匹配平差最容易通過(guò)。然而，當(dāng)分辨率差異較大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致平差。將分辨率低的影像對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)當(dāng)粗差點(diǎn)進(jìn)行剔除，從而導(dǎo)致平差結(jié)束后，部分影像被剔除，不能滿(mǎn)足建模需求，使空三成果不可用。解決影像分辨率問(wèn)題主要與航攝像機(jī)的組合和航攝高度有關(guān)。對(duì)于五鏡頭傾斜相機(jī)，一般側(cè)視和下視呈45度角，為了保證分辨率一致，側(cè)視相機(jī)焦距須為下視相機(jī)焦距的1.4倍。當(dāng)?shù)孛嫫鸱町惔髸r(shí)，如果采用固定航高飛行，則獲取的影像分辨率相差較大，這時(shí)需要采用仿地飛行技術(shù)，以確保獲取的影像分辨率盡可能一致。

2.2 相機(jī)參數(shù)對(duì)空三的影響

目前傾斜相機(jī)檢校成本高，且檢校場(chǎng)地有限，因此在實(shí)際生產(chǎn)中很少對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校。然而，準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)作為輸入初始值對(duì)空三的解算效率和精度也有一定影響。解決相機(jī)參數(shù)精度可采用軟件自檢校的方式。即通過(guò)對(duì)少量影像進(jìn)行解算，得到相機(jī)參數(shù)，再將解算后的參數(shù)作為初始值輸入軟件，再次進(jìn)行解算，得到新的相機(jī)參數(shù)。按照相同的方法不斷對(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到相機(jī)參數(shù)趨于穩(wěn)定，則將其作為最終結(jié)果輸入軟件中，對(duì)所有影像進(jìn)行解算。

2.3 POS 對(duì)空三的影響

POS記錄的是相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)，與影像的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的，因此高精度的POS直接影響著影像的解算效率和精度。目前POS數(shù)據(jù)優(yōu)化主要采取的方法有：通過(guò)差分?jǐn)?shù)據(jù)解算，從而解算得到精度更高的POS數(shù)據(jù)；通過(guò)第三方軟件對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，提高POS數(shù)據(jù)的精度；目前傾斜設(shè)備POS數(shù)據(jù)記錄的是下視相機(jī)的，結(jié)合相機(jī)之間的安置參數(shù)，可以解算得到每個(gè)相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)，這樣實(shí)現(xiàn)了POS數(shù)據(jù)的優(yōu)化，提升了數(shù)據(jù)的解算精度。

3 城市實(shí)景三維模型建設(shè)

傾斜攝影在城市實(shí)景三維建模中的流程主要包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分，具體的作業(yè)流程如圖3所示。

3.1 無(wú)人機(jī)航空攝影

本次數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目。某城區(qū)要生產(chǎn)城鎮(zhèn)建成區(qū)50 km?的實(shí)景三維模型，采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭航攝儀完成影像數(shù)據(jù)的采集，共獲得1.5 cm分辨率的影像約10萬(wàn)張。在獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，周期較長(zhǎng)，部分影像對(duì)比度低，另一部分影像較模糊，這可能會(huì)影響后期成果的質(zhì)量，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行處理。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用Photoshop軟件，創(chuàng)建動(dòng)作命令，對(duì)對(duì)比度低的架次影像進(jìn)行對(duì)比度拉伸處理。首先選擇一張地物信息豐富、具有代表性的影像進(jìn)行對(duì)比度拉伸操作，得到較好的效果后，將調(diào)整的參數(shù)等步驟記錄下來(lái)。通過(guò)創(chuàng)建的動(dòng)作，可以批量對(duì)剩余影像進(jìn)行對(duì)比度拉伸處理。對(duì)于模糊的影像，通過(guò)查看可知主要原因是存在薄霧，采用專(zhuān)業(yè)的勻光勻色軟件，對(duì)原始影像中的薄霧進(jìn)行去除，提升了影像的清晰度。

相機(jī)參數(shù)采用航飛質(zhì)量較高的某一架次影像進(jìn)行解算，并通過(guò)轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)、平差調(diào)整的方式，得到最終趨于穩(wěn)定的相機(jī)參數(shù)。這些參數(shù)被作為后續(xù)所有影像數(shù)據(jù)解算的初始值。

3.3 空中三角測(cè)量解算

空中三角測(cè)量解算是傾斜影像數(shù)據(jù)解算中最重要的一步，直接影響著后續(xù)成果的質(zhì)量和精度。本次航攝影像約10萬(wàn)張，結(jié)合硬件配置和軟件，將其分為兩個(gè)部分進(jìn)行解算。每個(gè)部分約5.5萬(wàn)張影像，接邊區(qū)域重疊約500 m的距離，并利用公共像控點(diǎn)對(duì)后期接邊精度進(jìn)行約束控制。本次數(shù)據(jù)解算采用瞰景Smart3D2021軟件，將優(yōu)化后的影像數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)作為初始值導(dǎo)入軟件中，再導(dǎo)入航攝時(shí)獲取的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行空中三角測(cè)量解算。通過(guò)像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺平差，兩部分空三像控點(diǎn)精度，其三維較差最大為0.015m，成果精度良好，可直接用于后續(xù)模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

3.4 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

為了保證接邊區(qū)域模型的精度和完整度，本次在模型生產(chǎn)時(shí)將兩部分空三成果合并，然后再次平差調(diào)整，將接邊區(qū)域粗差較大的同名點(diǎn)剔除，從而保證該區(qū)域模型的完整度和精度。結(jié)合電腦配置，本次生產(chǎn)模型大小為100m×100m，格式選擇OSGB 和3dtile 兩種格式，部分生產(chǎn)的三維模型成果如圖4所示。

3.5 精度分析

對(duì)于模型精度的檢測(cè)，主要從模型的點(diǎn)位精度和邊長(zhǎng)精度入手。利用GPS-RTK采集30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)模型的點(diǎn)位精度，檢測(cè)點(diǎn)主要有地物點(diǎn)、房角點(diǎn)等。利用全站儀和鋼尺測(cè)量了20條建筑物邊長(zhǎng)，主要包括房屋邊長(zhǎng)和房屋高度。在EPS軟件中，對(duì)模型點(diǎn)位精度進(jìn)行測(cè)量對(duì)比分析，得到本次生產(chǎn)的模型平面較差最大為0.078 m，高程較差最大為0.081 m，平面位置中誤差為0.045 m，高程中誤差為0.041 m。利用Smart3DCapture Viewer軟件獲取建筑物的邊長(zhǎng)，并和外業(yè)獲取的實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到本次模型邊長(zhǎng)最大較差為0.124 m，平均邊長(zhǎng)較差為0.089 m。從點(diǎn)位精度和邊長(zhǎng)精度分析，本次生產(chǎn)的模型精度均滿(mǎn)足城市三維模型建設(shè)的要求。

4 實(shí)景三維模型優(yōu)化

為了提升模型成果的質(zhì)量，本次在自動(dòng)化構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上，采用SVSModeler軟件對(duì)部分建構(gòu)筑物進(jìn)行了單體化制作，單體化模型制作流程如圖5所示。

按照實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的相關(guān)要求，本次采用單體化模型制作方式，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，某一建筑局部?jī)?yōu)化前后的對(duì)比圖如圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了傾斜攝影測(cè)量的原理，并對(duì)傾斜空三存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了對(duì)應(yīng)的解決方案。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證了這些方案的可行性。最后，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的模型存在的拉花變形問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了采用SVSModeler軟件單體化建模的解決方案。本文的研究可以為城市實(shí)景三維建模提供參考。