童烈陽(yáng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0.引言

傾斜攝影技術(shù)隨著測(cè)繪技術(shù)的日益發(fā)展破土而出，其重要意義在于改變了傳統(tǒng)意義上的正面攝影方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)只可以從單個(gè)角度獲取地面影像、不能準(zhǔn)確且全方位地反映地面實(shí)際情況的限制，解決了垂直角度拍攝的限制，適合配置多個(gè)傳感器，通過(guò)無(wú)人機(jī)操作從多個(gè)角度聚合信息，從而創(chuàng)建3D圖像[1]。基于傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型能夠生動(dòng)形象且更為全面地反映測(cè)區(qū)實(shí)際情況，提高了實(shí)景三維模型的可讀性，豐富了地理信息，用戶在此過(guò)程中也可獲得更強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)感[2]。基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以快速高效地建立小區(qū)域的城市實(shí)景三維模型，為測(cè)繪領(lǐng)域提供了便利[3]。

通過(guò)使用經(jīng)緯M300 RTK飛行器，搭載大疆禪思P1型相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，以此來(lái)進(jìn)行空中三角加密，構(gòu)建實(shí)景三維模型，對(duì)模型中某建筑物的南立面進(jìn)行勾繪并做出相應(yīng)的精度評(píng)定。目前對(duì)于傾斜攝影測(cè)量的建筑物立面測(cè)量的精度分析研究較少，本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)傾斜攝影測(cè)量的建筑物立面測(cè)量進(jìn)行精度分析，推動(dòng)了建筑物立面測(cè)量精度分析的研究進(jìn)程。

1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

1.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)概述

本實(shí)驗(yàn)選取的飛行器是經(jīng)緯M300 RTK飛行器，此產(chǎn)品是大疆具有里程碑意義的創(chuàng)新型產(chǎn)品，擁有最長(zhǎng)飛行時(shí)間達(dá)到55min、最大可承受風(fēng)速達(dá)到7級(jí)、圖傳距離可達(dá)到15km等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可提供強(qiáng)穩(wěn)定、高精確度以及高效率的航測(cè)解決方案。

此次實(shí)驗(yàn)選取大疆最新研發(fā)的新型相機(jī)-禪思P1型4500萬(wàn)像素全畫幅相機(jī)，它支持免像控測(cè)量，大大提高了用戶獲取影像的效率；支持8192×5460分辨率的照片、單像元尺寸達(dá)到了4.4μm,意味著在高效率的同時(shí)，盡可能保證高的地面清晰度，以便于得到高質(zhì)量的實(shí)景三維模型。

1.2 傾斜影像獲取

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位于佛山市怡景麗苑，北起魁奇二路，南至新明二路，西臨嶺南大道，東至灣梁路。地處三角洲平原，高差起伏不大，無(wú)需分區(qū)處理。

根據(jù)接收到的具體飛行任務(wù)以及低空數(shù)字航空攝影標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，首先設(shè)置航空攝影技術(shù)的有關(guān)參數(shù)，以此來(lái)確保無(wú)人機(jī)按照規(guī)定的航線飛行，設(shè)置的參數(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)置飛行高度

因?yàn)椴煌谋壤邔?duì)于航拍的成圖都有一定的影響，所以應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前航攝影像使用的用途以及測(cè)繪區(qū)域的地形情況，同時(shí)參考測(cè)圖的比例尺和分辨率等情況進(jìn)行綜合考量計(jì)算（如表1所示），并有針對(duì)性地計(jì)算地面分辨率。計(jì)算飛行高度如式（1）所示：

表1 航拍參數(shù)設(shè)計(jì)

式（1）中，H為飛行高度；f為物鏡鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為航攝影像地面分辨率。

（2）設(shè)置像片重疊度

依據(jù)低空數(shù)字航空攝影的相關(guān)規(guī)范準(zhǔn)則，像片重疊度應(yīng)該滿足以下要求：航向重疊度在一般情況下應(yīng)該為60%至80%，但是不得小于53%；旁向重疊度在一般情況下應(yīng)該為15%至70%，最低不得小于15%。

（3）設(shè)置航線參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)的大小來(lái)確定飛行航向以及航線長(zhǎng)度，并且依據(jù)式（2）計(jì)算出攝影基線長(zhǎng)度，最后依據(jù)式（3）得出航線間隔寬度。

式（2）、式（3）中，Bx為實(shí)地?cái)z影長(zhǎng)度；Dx為實(shí)地航線間隔寬度；Lx和Ly為像幅長(zhǎng)和寬；px和qy為航向重疊度和旁向重疊度。

根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)（如表2所示），我們?cè)O(shè)置12條航線。

航攝的飛行和影像質(zhì)量影響空三加密的精度，也決定了最終生成測(cè)繪產(chǎn)品的精度。

2.實(shí)景三維建模與立面圖繪制

2.1 三維模型的構(gòu)建

根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的655張航拍圖，確定bin數(shù)據(jù)和MRK數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谂臄z的過(guò)程中具有一定的不確定性，如光照不均勻、時(shí)相差以及拍攝角度等情況影響拍攝的成像，在綜合考慮順光以及逆光的情況后，對(duì)原始的景象進(jìn)行預(yù)處理。

利用Context Capture軟件對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)景三維建模的制作，Context Capture軟件通過(guò)自動(dòng)識(shí)別每張相片的相對(duì)位置和方向，充分校準(zhǔn)所有圖像，基于攝影測(cè)量原理，自動(dòng)進(jìn)行三維重建、紋理映射以及對(duì)捆綁關(guān)系和重建約束的重新處理，對(duì)高度重疊的影像進(jìn)行空三加密、密集匹配等過(guò)程，可確保得到高度精確的模型。

此軟件主要有三個(gè)部分，分別為Master、Engine、Viewer。

（1）Master界面可以導(dǎo)入影像、視頻等數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行空中三角測(cè)量，即相當(dāng)于前端操作界面；

（2）Engine模塊可以對(duì)空三數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，形成精確的實(shí)景三維模型；

（3）Viewer是一個(gè)具有量測(cè)坐標(biāo)、面積、距離等參數(shù)的瀏覽工具，與此同時(shí)，Viewer可以將實(shí)景三維模型顯示為紋理模式、線框模式等。

2.1.1 影像選擇

為確保傾斜攝影生成高精度的實(shí)景三維模型，影響質(zhì)量的高低便顯得尤為重要。在外業(yè)航攝過(guò)程中，要對(duì)拍攝情況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于不符合要求的影像，如絕對(duì)漏洞以及嚴(yán)重遮擋的影像進(jìn)行事后補(bǔ)測(cè)。補(bǔ)測(cè)設(shè)備以及各項(xiàng)參數(shù)要與原航攝設(shè)備一致。選取影像要求如下：

（1）在智能擺動(dòng)拍攝的模式下，攝影傾斜角度要在45°左右，天氣狀況良好，能見度至少在3km以上，不得有大于1倍的陰影；

（2）影像的旁向覆蓋范圍至少超出測(cè)區(qū)邊界的二分之一，航向覆蓋率至少超過(guò)測(cè)區(qū)邊界的一條基線；

（3）必須選取顏色飽和度高、色彩鮮明、清晰度高、反差適中、層次豐富、可以辨別出與設(shè)置的分辨率相適應(yīng)的地面地物。

2.1.2 影像導(dǎo)入

在Context Capture軟件中，新建工程Yijingliyuan，選擇添加整個(gè)目錄，共導(dǎo)入655張影像，設(shè)置傳感器大小以及焦距等參數(shù)（如表2所示）:

表2 影像參數(shù)

表（2）中，X、Y為主點(diǎn)參數(shù)；K1、K2、K3、P1、P2為畸變參數(shù)。

2.1.3 空三加密及模型生成

空三加密是無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模中主要的內(nèi)業(yè)處理部分。從圖像中提取大量特征點(diǎn)，同時(shí)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化迭代調(diào)整之后，使用點(diǎn)匹配和密集匹配技術(shù)一同執(zhí)行相同名稱點(diǎn)的匹配，最后進(jìn)行失真校正以及其他步驟的迭代調(diào)整，通過(guò)獲取方位角元素以及每個(gè)圖像的確切空間位置和旋轉(zhuǎn)角度，確定下一個(gè)3D重建的每個(gè)圖像之間的投影關(guān)系。

基于Context Capture全自動(dòng)三維實(shí)景建模軟件，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外部方向元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，可以模擬所有影像（包括傾斜影像）的表面投影范圍，且對(duì)較為粗糙的影像采用精細(xì)金字塔匹配策略，以便在所有圖像級(jí)別自動(dòng)生成相同的名稱點(diǎn)?？梢云ヅ涞淖杂蓛艄馐{(diào)整，以相同的名稱獲得更好的結(jié)果。

將空三加密后的結(jié)果圖（如圖1所示）切成網(wǎng)格大小為30m的規(guī)則平面，共切成70片瓦片。最后生成實(shí)景三維模型，地面分辨率為0.89cm至1.8cm（如圖2所示）:

2.2 建筑物立面圖的繪制

本實(shí)驗(yàn)基于Context Capture軟件生成的府苑小區(qū)三維實(shí)景模型，將其生產(chǎn)的OSGB格式的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DSM格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入清華山維EPS 2008地理信息工作站（以下簡(jiǎn)稱EPS）中。以EPS 2008數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，將屬性與圖形相結(jié)合。在測(cè)繪領(lǐng)域，其具有立面圖繪制、控制測(cè)量、地形測(cè)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等多種模式。

（1）將Context Capture軟件生成的OSGB格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為EPS 2008特有的DSM數(shù)據(jù)格式。

（2）選擇遮擋較少、模型較為完整的房屋，通過(guò)裁切模型，使EPS 2008軟件的三維視圖中只顯示將要進(jìn)行立面繪制的房屋，使用偏移工具以及矩形畫圖工具等，選擇建筑物的南立面進(jìn)行勾繪。在繪制立面圖時(shí)，需要根據(jù)實(shí)景三維模型以及建筑物的紋理特點(diǎn)等進(jìn)行繪制。當(dāng)繪制立面圖中門窗、陽(yáng)臺(tái)等類型時(shí)，角點(diǎn)的選擇會(huì)出現(xiàn)細(xì)微偏移，這就需要繪制時(shí)將圖片放大，根據(jù)房屋立面的整體布局選擇比較統(tǒng)一的角點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)繪制右側(cè)陽(yáng)臺(tái)門窗時(shí)，三維模型易受到小區(qū)內(nèi)樹木遮擋，因此對(duì)模型進(jìn)行多次裁剪，選取恰當(dāng)?shù)囊暯恰?/p>

（3）最終將EPS 2008中勾繪完畢的立面圖導(dǎo)出為.dwg格式，并在CASS軟件形成合格的、完整的立面圖成果（如圖3所示）:

圖3 建筑物立面圖

3.精度分析

建筑物立面圖的精度評(píng)定包括立面圖的平面精度、代表性線段精度，平面精度是基于實(shí)景三維模型，選取南立面的210個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，利用徠卡GS16接收機(jī)、徠卡TS09全站儀進(jìn)行外業(yè)測(cè)量，將其得到的坐標(biāo)值與利用Context Capture建立的實(shí)景三維模型中的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，得到誤差值。代表性線段精度的檢測(cè)是利用EPS繪制立面圖的長(zhǎng)度與實(shí)地測(cè)量的代表性線段長(zhǎng)度作比較。

3.1 平面精度評(píng)定

本次平面精度的檢測(cè)選用210個(gè)檢查點(diǎn)（如圖4所示），利用式（4）、式（5）計(jì)算出各點(diǎn)位的差值，通過(guò)式（6）得到中誤差值。測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)平面精度分析（如表3所示）:

圖4 檢查點(diǎn)分布圖

表3 測(cè)區(qū)檢查點(diǎn)平面精度分析 單位：m

由式（4）、式（5）、式（6）計(jì)算可得：平面坐標(biāo)中誤差是0.0273m，其中最大誤差是0.0349m。

3.2 代表性線段精度分析

在研究區(qū)域共選取60條可量測(cè)線段，通過(guò)外業(yè)測(cè)量的實(shí)際長(zhǎng)度與EPS立面圖中量測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比。

筑物代表性線段的長(zhǎng)度作為真值，將其與在EPS系統(tǒng)中量取的代表性線段長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。代表性線段精度對(duì)比（如表4所示）:

表4 代表性線段精度分析 單位：m

測(cè)區(qū)建筑物南立面的長(zhǎng)度與高度精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：線段最大偏差值為0.0443m，最小偏差值為0.0020m，錯(cuò)誤性測(cè)量為0個(gè)。

3.3 總體精度分析

在對(duì)建筑物立面圖做出精確的評(píng)估之后，得到此棟建筑物南立面的平面坐標(biāo)中誤差為0.0273m，最大誤差為0.0349m；代表性線段最大誤差為0.0468m。從建筑物的平面精度以及代表性線段的精度來(lái)看，基于傾斜攝影的建筑物立面測(cè)量的方法完全可以大規(guī)模應(yīng)用于各種生產(chǎn)任務(wù)，完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015-2012)中所制定的平原地區(qū)三維模型平面精度標(biāo)準(zhǔn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，1∶500、1∶1000 和1∶2000平原地區(qū)三維模型的平面精度要求分別為：0.3m、0.8m和1.4m，通過(guò)對(duì)生成的建筑物立面圖進(jìn)行精度評(píng)定，對(duì)比結(jié)果表明：建筑物立面圖平面坐標(biāo)中誤差為0.0273m，最大誤差為0.0349m；代表性線段的差值為0.0468m。因此，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的建筑物立面圖的精度完全符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015-2012)的要求，可進(jìn)行大規(guī)模推廣生產(chǎn)。