文 / 蔡 亮 王蒙蒙

近年來(lái)，隨著傾斜攝影技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，逐步替代了傳統(tǒng)三維建模，以無(wú)人機(jī)作為載體攜帶傾斜相機(jī)實(shí)現(xiàn)傾斜攝影已成為一種趨勢(shì)，該技術(shù)通過(guò)拍攝的多角度影像和少量地面控制點(diǎn)便可利用傾斜攝影軟件自動(dòng)三維建模，很好地解決了傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)只能獲取垂直影像，需要大量人工參與、速度慢、不利于大面積建模的弊端，使得三維建模工作變得更加高效、便捷。目前，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成為獲取地表三維模型的重要途徑，并且已經(jīng)在水利測(cè)繪、土方工程等許多方面得到了較好的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員有的結(jié)合水利項(xiàng)目分析了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生成實(shí)景三維模型的過(guò)程，闡明了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)；有的通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模為水利工程投資分析、工程設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支持；有的將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用到土方工程中，為工程提供可視化效果。

本文利用Context Capture軟件作為建模工具，詳細(xì)闡述了快速三維建模的技術(shù)路線和實(shí)施方案，通過(guò)工程項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行三維建模，并對(duì)模型的精度進(jìn)行分析，為三維測(cè)繪成果的規(guī)?；a(chǎn)提供參考借鑒。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建模方法

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)與數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種新興技術(shù)手段，其主要工作原理是將多臺(tái)傳感器同時(shí)搭載在同一飛行平臺(tái)上，分別從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個(gè)不同的方向和角度采集影像數(shù)據(jù)，以獲取全方位的地物紋理信息。該技術(shù)可以展示出較高的真實(shí)性效果，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三測(cè)量、影像匹配等自動(dòng)化過(guò)程生成三維模型，可以賦予模型更多的地理信息，真實(shí)地表達(dá)地表物體的具體坐標(biāo)、尺寸及外觀等屬性。而且傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有影像數(shù)據(jù)獲取速度快、周期短、測(cè)量范圍廣、精度高等特點(diǎn)，后處理過(guò)程自動(dòng)化程度高，這樣就有利于數(shù)據(jù)及時(shí)更新，即使在復(fù)雜的環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)測(cè)繪處理，使得操作人員在安全區(qū)域就可以獲得地形數(shù)據(jù)，降低了外業(yè)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用流程

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)的獲取是前期工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而獲取的影像質(zhì)量也會(huì)直接影響三維模型的效果；經(jīng)分析影響無(wú)人機(jī)航飛效果的主要因素有航線、相對(duì)航高、重疊度等，實(shí)施航空攝影前需充分考慮這些因素，設(shè)置合理的參數(shù)保證影像質(zhì)量。

（1）設(shè)置航高

式中：H為相對(duì)航高；f為相機(jī)焦距；GSD為地面分辨率；α為像元大小。

（2）設(shè)置重疊度

查詢經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料得出，航向重疊度不得小于53%，常用的設(shè)置范圍在60%～80%之間，旁向重疊度不得小于8%，常用的設(shè)置范圍在15%～60%之間。但由于傾斜攝影技術(shù)需要考慮地物遮擋和變形關(guān)系，因此航向和旁向重疊度需要適當(dāng)設(shè)置高一些，將兩者均設(shè)置為80%以上。

（3）設(shè)置航線參數(shù)

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，設(shè)定航線起終點(diǎn)、航線長(zhǎng)度、航線間距、航線方向參數(shù)，通常規(guī)劃為矩形航線，設(shè)置的航線要盡可能少，避免浪費(fèi)。

（4）作業(yè)飛行

檢查設(shè)備及電量情況，選擇無(wú)風(fēng)晴朗天氣，盡量遠(yuǎn)離電線和建筑物，確保無(wú)人機(jī)飛行范圍內(nèi)GPS信號(hào)良好。按上述的要求完成航線設(shè)計(jì)后，實(shí)施航飛測(cè)量計(jì)劃，從五個(gè)角度全方位地獲取地表物體高分辨率影像數(shù)據(jù)，并對(duì)這些影像的質(zhì)量進(jìn)行檢查。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

導(dǎo)出5組鏡頭分別對(duì)應(yīng)5組影像和pos數(shù)據(jù)，對(duì)影像名稱和該影像所對(duì)應(yīng)的pos數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)格式的正確性以及資料的完整性。之后連同相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入到建模軟件中。

1.2.3 構(gòu)建三維模型

選擇Context Capture軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件是目前處理傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)之一，一般包括主控制臺(tái)（Master）、任務(wù)啟動(dòng)引擎（Engine）、三維模型展示（Viewer）等模塊。利用此軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行空三計(jì)算，通過(guò)點(diǎn)云加密算法將稀疏點(diǎn)云生成密集點(diǎn)云，然后將密集點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化和紋理映射，利用導(dǎo)入的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的具有真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。傾斜攝影三維建模技術(shù)流程見(jiàn)圖l。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

2 工程應(yīng)用及精度分析

2.1 工程應(yīng)用

本文選取馬山大河正平橋豐石寬段為例，該段屬于紹興市馬山閘強(qiáng)排及配套河道工程（越城片），工程具有施工面域廣、線路長(zhǎng)、場(chǎng)地狹窄等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要大量的人力和物力支撐，且耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行測(cè)量很好地解決了上述問(wèn)題，規(guī)劃的航測(cè)區(qū)域如下（圖2）所示。

圖2 航測(cè)區(qū)域圖

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取

在規(guī)劃的航測(cè)區(qū)域布設(shè)11個(gè)具有代表性的像控點(diǎn)，并使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行量測(cè)。利用大疆（DJI M600PRO）工業(yè)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)搭載拼斜五拼相機(jī)（TC-DC-5）作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)獲取原始數(shù)據(jù)，本次生產(chǎn)任務(wù)共布設(shè)23條航線，飛行3個(gè)架次，完成區(qū)段約0.135km2的三維實(shí)景生成。航拍的航線范圍超出測(cè)區(qū)邊界線100m以上。航飛前要進(jìn)行模塊自檢，指南針校準(zhǔn)等操作，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如將航高設(shè)為80m，將航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為90%和80%，參數(shù)單位設(shè)置為m/s，低電量提醒設(shè)置為30%等。

2.1.2 影像處理

在進(jìn)行空中三角測(cè)量步驟前，要對(duì)影像進(jìn)行檢查，將試拍的照片去除，核對(duì)照片質(zhì)量和數(shù)量，并與pos數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，將照片和與之對(duì)應(yīng)的pos數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Context Capture軟件，輸入光學(xué)參數(shù)，選擇對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，提交空三運(yùn)行，之后導(dǎo)入RTX外業(yè)測(cè)量的像控點(diǎn)坐標(biāo)，并在相應(yīng)的影像上刺點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)影像密集匹配，密集點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型，紋理切片自動(dòng)映射等過(guò)程，最終得到對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的傾斜攝影三維模型（圖3），此模型能真實(shí)地反映出原始地貌。

圖3 實(shí)景三維模型成果圖

2.2 精度分析

為了分析三維模型的精度，在航測(cè)區(qū)域中間提前均勻布設(shè)了10個(gè)特征地物點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，并使用GPSRTK技術(shù)測(cè)量這些檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，將此方式測(cè)量的坐標(biāo)記為真實(shí)值，同時(shí)在三維模型上提取同名檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，作為計(jì)算值，并與外業(yè)量測(cè)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)得出兩者之間的平面及高程誤差。此外還引入了中誤差，中誤差是用來(lái)衡量觀測(cè)精度的一種常用指標(biāo)，可以很好地反映誤差精度，在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。公式如下：

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出如下結(jié)果（表1），觀察可以看出，本項(xiàng)目工程三維模型的平面最大誤差為0.086m，中誤差為0.060m，高程方向最大誤差為0.348m、中誤差為0.116m。參照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，當(dāng)平面中誤差不大于0.5m，高程中誤差不大于0.37m，滿足整體模型精度達(dá)到1∶500比例尺測(cè)圖的精度要求。

表1 三維模型精度統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

本文以紹興馬山閘強(qiáng)排及配套河道工程某區(qū)域?yàn)檠芯糠秶?，通過(guò)無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)搭載相機(jī)，采用傾斜攝影技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)，基于Context Capture軟件建立了實(shí)景三維模型，提出了一套基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的從影像獲取、數(shù)據(jù)處理到三維建模的技術(shù)方法與流程。為了驗(yàn)證該方法的合理性，將實(shí)地測(cè)量檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)與模型實(shí)際量測(cè)值對(duì)比，進(jìn)行精度分析，結(jié)果表明：本項(xiàng)目工程三維模型的平面最大誤差為0.086m，中誤差為0.060m，高程方向最大誤差為0.348m、中誤差為0.116m，參照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，平面中誤差不大于0.5m，高程中誤差不大于0.37m，達(dá)到該規(guī)范的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，為工程建設(shè)中三維繪制的規(guī)?；a(chǎn)提供一定的方法參考。