倪雅欣

（寧夏坤博測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，寧夏 銀川 750000）

近年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，利用傾斜攝影低空飛行、獲取多角度全方位的影像，利用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，就可以得到符合現(xiàn)狀的、具有可量測(cè)性的實(shí)景三維模型成果，用途越來(lái)越廣泛[1-3]。隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影建模軟件應(yīng)運(yùn)而生，然而由于傾斜攝影畸變大、分辨率不一致等問(wèn)題，使得傾斜攝影數(shù)據(jù)解算具有了一定的困難[4]。從目前來(lái)看，雖然傾斜攝影建模軟件較多，但是對(duì)于空三解算來(lái)說(shuō)，失敗率任然居高不下[5]。針對(duì)空三解算失敗率高的問(wèn)題，本文在分析了傾斜攝影相關(guān)知識(shí)后，提出了相關(guān)的方案對(duì)其空三進(jìn)行優(yōu)化，并用實(shí)際項(xiàng)目對(duì)本文的方案進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：利用本文的方案，可以有效提升空三的解算成功率，在一定程度上也提高了空三的解算效率。對(duì)于傾斜攝影建模工作人員來(lái)說(shuō)，具有較強(qiáng)的借鑒性，可以有助于他們提升空三的解算成功率，提高作業(yè)效率。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

傾斜攝影測(cè)量是指在飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)航攝影，在空中對(duì)地面進(jìn)行多角度、全方位影像數(shù)據(jù)的采集[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，利用傾斜攝影可以獲取更多角度的影像，有用信息更加豐富。鏡頭的增加，雖然獲取了更多有用的影像，但是數(shù)據(jù)量也急劇增加，這為數(shù)據(jù)解算帶來(lái)的挑戰(zhàn)[7]。目前已有軟件的平差算法，都是針對(duì)理想情況下的平差模型來(lái)開(kāi)發(fā)的，并不能適用于大角度、影像畸變大的情況，這也導(dǎo)致了傾斜攝影空三解算容易出現(xiàn)分層、彎曲的情況，因此必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而來(lái)提升空三的解算成功率。

2 空三加密優(yōu)化研究

通過(guò)對(duì)傾斜攝影整個(gè)作業(yè)流程進(jìn)行分析，對(duì)空中三角測(cè)量各算法進(jìn)行分析可知，空中三角測(cè)量解算主要有特征檢測(cè)、特征點(diǎn)提取、圖像相似度計(jì)算、特征匹配和平差調(diào)整構(gòu)成。影響后期空中三角測(cè)量解算的因素主要有影像質(zhì)量、控制點(diǎn)點(diǎn)位、精準(zhǔn)的相機(jī)參數(shù)和可靠的POS數(shù)據(jù)，即主要由輸入數(shù)據(jù)決定。針對(duì)上述幾方面的問(wèn)題，本文提出如下幾條方案，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空中三角測(cè)量成果進(jìn)行優(yōu)化的目的。

2.1 影像質(zhì)量的提升

對(duì)于無(wú)人機(jī)測(cè)繪來(lái)說(shuō)，要想獲得高質(zhì)量的影像，就必須具備良好的外業(yè)作業(yè)環(huán)境。對(duì)于實(shí)際工作來(lái)說(shuō)，由于工期、成本等問(wèn)題，很多時(shí)候獲取的影像數(shù)據(jù)，質(zhì)量是存在一定問(wèn)題的，這就需要對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行提升。影像質(zhì)量主要查看影像的對(duì)比度以及是否符合正態(tài)分布，還有就是查看其分辨率是否符合設(shè)計(jì)要求。

某一農(nóng)房項(xiàng)目是在陰天飛行的，其影像對(duì)比度不明顯，對(duì)于數(shù)據(jù)解算來(lái)說(shuō)，可能因?yàn)閷?duì)比度不明顯，從而影響空中三角測(cè)量解算的時(shí)長(zhǎng)，因此有必要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行提升。通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行查看，決定采用Photoshop 軟件對(duì)其進(jìn)行勻光勻色、調(diào)整對(duì)比度。

影像數(shù)量多，采用一張一張?zhí)幚砗苊黠@是不可行的，因此需要對(duì)其進(jìn)行批處理，這就需要用到Photoshop 軟件中的動(dòng)作命令，對(duì)一幅影像的處理流程進(jìn)行記錄，然后按照同樣的處理步驟對(duì)所有影像進(jìn)行自動(dòng)處理。首先進(jìn)行自動(dòng)調(diào)色，然后進(jìn)行色階調(diào)整，再進(jìn)行曲線(xiàn)調(diào)整，然后得到處理后的影像。圖1 和圖2 是處理前后的對(duì)比效果圖，其中圖1 的上圖是處理前的原始影像，圖1 下圖是處理后的影像；圖2 是處理前的影像正態(tài)分布圖，其中圖2 的上圖是處理前的效果，圖2 下圖是處理后的效果。

圖1 處理前后影像

通過(guò)對(duì)圖1 進(jìn)行查看可知，采用本文的方法對(duì)影像進(jìn)行處理，其亮度有了明顯的調(diào)整，對(duì)比度有了明顯的增加，質(zhì)量得到了提升。對(duì)圖2 進(jìn)行對(duì)比可知，處理前，輸入色階基本上位于0-1 之間，而處理后其色階位于1的左右兩側(cè)，基本呈對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，符合正態(tài)分布規(guī)律，表明其質(zhì)量良好。通過(guò)數(shù)據(jù)解算可知，在處理前，該空三解算耗時(shí)18 小時(shí)，處理后耗時(shí)16.5 小時(shí)；處理前其加密點(diǎn)重投影中誤差為0.651 個(gè)像素，優(yōu)化后為0.583 個(gè)像素。在解算時(shí)間和解算精度上均有了顯著的提升。

圖2 處理前后正態(tài)分布圖

2.2 控制點(diǎn)點(diǎn)位

控制點(diǎn)點(diǎn)位對(duì)于測(cè)繪來(lái)說(shuō)極其重要，因?yàn)槠渲苯佑绊懣杖用艹晒淖罱K精度。控制點(diǎn)點(diǎn)位目前常見(jiàn)的有兩種，一種是自然特征點(diǎn)，這種點(diǎn)位以自然地物為目標(biāo)點(diǎn)，具有分布不規(guī)律，點(diǎn)位不明確等特點(diǎn)，也稱(chēng)特征控制點(diǎn)。另一種是人工噴涂控制點(diǎn)，這種點(diǎn)位可以分布均勻，且點(diǎn)位非常明確，對(duì)于內(nèi)業(yè)來(lái)說(shuō)，可以準(zhǔn)確進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。在控制點(diǎn)采集的時(shí)候，為了提升控制點(diǎn)的采集精度，減少偶然誤差，一般每個(gè)點(diǎn)至少采集3 次，且每次平面、高程較差均在1cm 之內(nèi)，否則則視為錯(cuò)誤的點(diǎn)，需要進(jìn)行重新采集。

為了驗(yàn)證控制點(diǎn)點(diǎn)位對(duì)最終空三加密成果的精度，在某一1:500 地形圖測(cè)繪項(xiàng)目中，采用兩種控制點(diǎn)點(diǎn)位進(jìn)行作業(yè)，特征點(diǎn)和噴涂點(diǎn)基本上成對(duì)布設(shè)，確保在空三平差構(gòu)網(wǎng)時(shí)，其網(wǎng)形是相同的，減少因網(wǎng)形不同帶來(lái)的影響。在采集的時(shí)候，使用相同的儀器，按照同樣的方式進(jìn)行采集，確保采集精度是相同的。在控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺的時(shí)候，是在同一個(gè)空三成果上進(jìn)行的，確保了自由網(wǎng)空三成果對(duì)其影響是相同的。

通過(guò)對(duì)兩次的平差報(bào)告查看可知，特征控制點(diǎn)的三維點(diǎn)位中誤差為0.051 米，而噴涂控制點(diǎn)的三維點(diǎn)位中誤差為0.023 米，空三精度有了明顯的提升，因此采用噴涂控制點(diǎn)取代特征控制點(diǎn)，可以有效提高空三加密成果的精度，對(duì)空三結(jié)果起到一定的優(yōu)化。

2.3 相機(jī)參數(shù)優(yōu)化

由于傾斜攝影鏡頭多，在實(shí)際作業(yè)中基本上對(duì)沒(méi)有按要求對(duì)鏡頭進(jìn)行檢校，因此其相機(jī)參數(shù)并不精確。在數(shù)據(jù)解算過(guò)程中，需要利用準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，來(lái)還原攝影時(shí)精準(zhǔn)的中心點(diǎn)坐標(biāo)和焦距，這樣才能有助于特征點(diǎn)的檢測(cè)和提取，有助于空三更快、更精準(zhǔn)的解算。針對(duì)相機(jī)參數(shù)不精確，主要采用軟件自檢校的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。其思路是利用少量照片來(lái)進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，通過(guò)平差，對(duì)其相機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后將優(yōu)化的參數(shù)導(dǎo)出，作為新的輸入數(shù)據(jù)重新輸入軟件中，再次進(jìn)行空三加密解算，直到參數(shù)穩(wěn)定下來(lái)，基本上就可以作為最終的優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)。

某一帶狀項(xiàng)目，第一次將所有影像和POS 進(jìn)行加載，然后輸入相機(jī)報(bào)告中的相機(jī)焦距，然后提交空三任務(wù)進(jìn)行解算。解算耗時(shí)36 小時(shí)，解算結(jié)束后，查看其空三成果，空三出現(xiàn)了彎曲，無(wú)法使用，空三解算失敗。在帶狀解算中，由于影像畸變大，相機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)確，平差網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致了空三彎曲。為了解決這一問(wèn)題，首先每個(gè)鏡頭選擇100 張影像，5 鏡頭共選擇500 張影像進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，每次解算優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)作為下一輪的初始參數(shù)輸入軟件中，再次進(jìn)行空三加密解算。在完成第四次解算后，其相機(jī)參數(shù)和第三次優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)基本一致，取其作為最終優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)。新建工程，導(dǎo)入所有影像和POS 數(shù)據(jù)，輸入最終優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)，提交空三任務(wù)進(jìn)行空三加密解算，解算完成后，通過(guò)人機(jī)交互的方式，對(duì)其解算結(jié)果進(jìn)行查看，空三成果未出現(xiàn)彎曲、分層現(xiàn)象，成果與實(shí)際情況相符，4 次相機(jī)參數(shù)優(yōu)化加上最終空三加密解算共耗時(shí)約30.5 小時(shí)，較優(yōu)化前，其空三解算效率提升了15.3%。對(duì)于工期緊、面積大的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，按照這種方法，空三成功率不但有了提高，且耗時(shí)明顯縮短，精度符合相關(guān)要求，成果質(zhì)量是非?？煽康?，因此相機(jī)參數(shù)的優(yōu)化可以有效的完成空三加密解算的優(yōu)化。

2.4 POS 數(shù)據(jù)解算優(yōu)化

POS 數(shù)據(jù)對(duì)于空三加密來(lái)說(shuō)是非常重要的，其為參與運(yùn)算的影像提供了一個(gè)初始的位置坐標(biāo)和姿態(tài)參數(shù)。目前傾斜攝影，多數(shù)設(shè)備在記錄POS 時(shí)，都只記錄了下視鏡頭的POS，并沒(méi)有記錄側(cè)視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)。然而在實(shí)際數(shù)據(jù)解算時(shí)，準(zhǔn)確的POS 可以有助于提升空中三角測(cè)量解算的效率和精度，甚至影響到空三加密解算的成果是否可用，因此對(duì)POS 進(jìn)行解算是非常有必要的。通過(guò)對(duì)多鏡頭相機(jī)安裝關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)合其平臺(tái)檢校參數(shù)，可以以下視鏡頭POS 為基準(zhǔn)，對(duì)側(cè)視鏡頭的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。采用人工解算的方式，不但效率低，而且對(duì)于海量數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，并不現(xiàn)實(shí)，因此需要相應(yīng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)POS 數(shù)據(jù)的解算。筆者針對(duì)POS 數(shù)據(jù)解算，利用Matlab 軟件開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)易的POS 數(shù)據(jù)解算軟件。只需輸入下視鏡頭的POS 和平臺(tái)檢校參數(shù)，即相對(duì)于下視鏡頭的方位和三維坐標(biāo)，就可以準(zhǔn)確的解算出側(cè)視鏡頭的POS數(shù)據(jù)。

某一項(xiàng)目采用5 鏡頭傾斜攝影作業(yè)，在進(jìn)行空三加密解算時(shí)，以下視鏡頭POS 作為側(cè)視鏡頭的POS 輸入軟件中，完成空三加密的解算，解算結(jié)果如圖3（左圖）所示。采用筆者開(kāi)發(fā)的軟件，將下視鏡頭的POS 輸入軟件中，再分別輸入4 個(gè)側(cè)視鏡頭相對(duì)于下視鏡頭的方位和三維坐標(biāo)，完成對(duì)側(cè)視鏡頭POS 數(shù)據(jù)的解算。然后利用解算后的POS 作為輸入數(shù)據(jù)，提供給側(cè)視鏡頭的影像，并完成空三加密的解算，解算結(jié)果如圖3（右圖）所示。

圖3 POS 解算前后空三加密結(jié)果對(duì)比圖

通過(guò)圖3 可知，在以下視鏡頭POS 代替?zhèn)纫曠R頭POS 解算過(guò)程中，解算成果出現(xiàn)了分層，空三成果不能直接使用。在采用本文的方法，對(duì)側(cè)視鏡頭的POS 進(jìn)行解算后，其空三成果未出現(xiàn)分層，成果可用。且在空三加密耗時(shí)方面，優(yōu)化前耗時(shí)21 小時(shí)，優(yōu)化后耗時(shí)16.5 小時(shí)，數(shù)據(jù)解算效率提升了21%。優(yōu)化后的加密點(diǎn)重投影中誤差為0.358 個(gè)像素，小于規(guī)范要求的2/3 個(gè)像素，成果精度良好。

3 對(duì)比分析

利用本文提到的方案，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)，得到了良好的解算效果，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，其中空三解算時(shí)長(zhǎng)單位是小時(shí)（h）；空三解算精度分為兩種，在影像質(zhì)量、相機(jī)參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)這幾欄中，是指加密點(diǎn)重投影中誤差的精度，單位為像素（pixel）；在控制點(diǎn)點(diǎn)位這一欄的空三解算精度是指控制點(diǎn)平差后的三維點(diǎn)位中誤差，單位為米。

表1 不同方案優(yōu)化前后對(duì)比

通過(guò)表1 可知，提升影像的質(zhì)量，可以有效縮短空三解算的時(shí)長(zhǎng)和提升空三解算的精度；采用噴涂控制點(diǎn)，可以提升空三加密最終結(jié)果的精度；優(yōu)化相機(jī)參數(shù)，可以提高空三解算的成功率，縮短空三加密所用時(shí)長(zhǎng)；優(yōu)化側(cè)視鏡頭POS，可以有效提升空三加密解算成功率，縮短空三加密所用時(shí)長(zhǎng)。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傾斜攝影空三失敗率高的問(wèn)題，本文深入研究了傾斜攝影空三解算這一環(huán)節(jié)，并提出切實(shí)可行的方案對(duì)空三解算進(jìn)行優(yōu)化。采用實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)優(yōu)化前后的效果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，采用不同的優(yōu)化方案，可以在一定程度上提升空中三角測(cè)量解算的成功率，縮短解算時(shí)長(zhǎng)，提升空三解算精度。對(duì)于傾斜攝影作業(yè)人員來(lái)說(shuō)，本文的方案具有一定的實(shí)用性，可采用本文的方案來(lái)解決實(shí)際作業(yè)中空三解算失敗率高、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低的問(wèn)題。