楊朋荷

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

近年來(lái)，測(cè)繪技術(shù)日新月異，尤其是無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，取得了快速的發(fā)展。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量目前主要有兩種形式，一種是傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量技術(shù)，其作業(yè)時(shí)，通常搭載一個(gè)航攝儀，航攝儀垂直于地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集；另一種是傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)在近幾年發(fā)展迅猛，其作業(yè)時(shí)，通常搭載多個(gè)航攝儀，從空中對(duì)地面進(jìn)行多角度、全方位的影像數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)，影像在采集數(shù)據(jù)時(shí)，近似與地面垂直，獲取的數(shù)據(jù)，在空三解算時(shí)，其模型符合傳統(tǒng)的攝影平差模型，因此空三失敗率很低。而傾斜攝影測(cè)量，由于其余地面的夾角大，平差模型與傳統(tǒng)的攝影平差模型不符，因此傾斜攝影空中三角測(cè)量在解算時(shí)極易出現(xiàn)分層、彎曲、交叉等問(wèn)題。針對(duì)傾斜攝影空中三角測(cè)量出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者在分析了其解算過(guò)程后，提出一些方案，來(lái)對(duì)傾斜攝影空中三角測(cè)量的解算進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)際案例對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)分析可知，本文提出的幾種方案，對(duì)于空中三角測(cè)量的解算優(yōu)化，其效果是比較明顯的，可以有效提升空三的解算成功率，且解算的精度和效率也有一定的提升，可以有效解決傾斜空三解算的一系列問(wèn)題，從而為傾斜攝影從業(yè)者帶來(lái)借鑒。

1 傾斜攝影作業(yè)流程

傾斜攝影作業(yè)分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)，外業(yè)主要是獲取數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)主要是數(shù)據(jù)處理。外業(yè)的工作主要包括測(cè)區(qū)勘察、資料收集、飛機(jī)選型、航線(xiàn)規(guī)劃、像控點(diǎn)采集和航空攝影；內(nèi)業(yè)的工作主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)輸入、空中三角測(cè)量解算、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、白膜生成、紋理映射、格式轉(zhuǎn)換與輸出，具體的作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程

2 空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化研究

空中三角測(cè)量解算，在同一個(gè)軟件里，其解算的結(jié)果主要受輸入數(shù)據(jù)的影響。輸入數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)（POS）和相機(jī)參數(shù)。由于不同軟件空中三角測(cè)量解算算法不一樣，因此同一數(shù)據(jù)，不同軟件解算結(jié)果也是不一樣的。鑒于此，本文通過(guò)優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)、多款軟件組合使用的方法，對(duì)空中三角測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化研究。在空中三角測(cè)量解算時(shí)，其主要的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影空中三角測(cè)量解算流程

2.1 優(yōu)化相機(jī)參數(shù)

相機(jī)參數(shù)在數(shù)據(jù)解算中是非常重要的，相機(jī)參數(shù)主要涉及到相機(jī)的內(nèi)方位元素，通過(guò)不同方式獲取相機(jī)的精準(zhǔn)參數(shù)，可以有效提升空中三角測(cè)量的解算成功率。

2.1.1 通過(guò)多次解算不斷優(yōu)化相機(jī)參數(shù)

空中三角測(cè)量解算的過(guò)程，主要包括特征點(diǎn)的提取與匹配，再進(jìn)行平差。平差其實(shí)是對(duì)匹配的特征點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)過(guò)程，通過(guò)平差優(yōu)化，從而對(duì)相機(jī)的內(nèi)方位元素進(jìn)行優(yōu)化。在某些軟件中，在進(jìn)行空中三角測(cè)量解算時(shí)，通過(guò)多次不斷地提交空三任務(wù)、解算空三任務(wù)，從而使得空三解算成果可用。

2.1.2 通過(guò)檢校場(chǎng)完成相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定

精準(zhǔn)的相機(jī)參數(shù)，主要的獲取方式是通過(guò)相機(jī)檢校場(chǎng)。相機(jī)檢校場(chǎng)的靶標(biāo)是具有三維的靶標(biāo)，利用無(wú)人機(jī)攜帶多鏡頭航攝儀，對(duì)相機(jī)檢校場(chǎng)進(jìn)行拍攝，然后利用專(zhuān)業(yè)的相機(jī)參數(shù)檢校軟件，通過(guò)拍攝的檢校場(chǎng)影像，對(duì)相機(jī)的內(nèi)方位元素和徑向畸變系數(shù)、切向畸變系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確解算，從而得到高精度的相機(jī)檢校參數(shù)，從而提升空中三角測(cè)量解算的成功率和精度。

2.1.3 通過(guò)少量照片來(lái)獲取準(zhǔn)確相機(jī)參數(shù)

在數(shù)據(jù)解算時(shí)，少量影像解算容易通過(guò)，而大量影像解算則很容易失敗。通過(guò)對(duì)解算前后的相機(jī)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，當(dāng)空三解算成功時(shí)，其參數(shù)趨于穩(wěn)定，不再隨著解算進(jìn)行改變。因此可以通過(guò)此方法獲取較準(zhǔn)確地相機(jī)參數(shù)。首先選擇部分照片進(jìn)行空三解算，通過(guò)多次解算，其參數(shù)趨于穩(wěn)定，則將優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行大量影像解算，這樣也可以有效提升影像解算成功率。

2.2 優(yōu)化定位數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)搭載的航攝儀在空中進(jìn)行拍照時(shí)，搭載的定位定姿裝置就會(huì)將相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)記錄下來(lái)。目前無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性差，在實(shí)際作業(yè)中，一般只利用其定位數(shù)據(jù)，因此定位數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低也影響著空中三角測(cè)量的解算結(jié)果。

2.2.1 基于下視鏡頭POS 求解其余鏡頭的POS 值

目前無(wú)人機(jī)搭載的多鏡頭航攝儀，其記錄POS 的裝置只有一套，并且記錄的POS 是下視相機(jī)曝光時(shí)的位置，并沒(méi)有記錄其它鏡頭的POS 數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)解算時(shí)，通常都是以下視鏡頭POS 來(lái)代替其它鏡頭的POS。這樣在數(shù)據(jù)解算時(shí)，并不能還原攝影時(shí)相機(jī)之間的準(zhǔn)確位置和姿態(tài)，這樣不利于影像的準(zhǔn)確解算。多個(gè)相機(jī)之間的關(guān)系可通過(guò)平臺(tái)安置參數(shù)獲得，通過(guò)分析平臺(tái)安置參數(shù)，可以對(duì)側(cè)視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)解算。利用C# 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)POS 解算軟件，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其余鏡頭進(jìn)行解算。為了解算軟件的通用性，在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，結(jié)合2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭等相機(jī)的特點(diǎn)，將輸入的參數(shù)設(shè)置為可輸入項(xiàng)，提升了軟件的通用性。通過(guò)解算可以獲得精度更高的POS，有助于空中三角測(cè)量的解算。

2.2.2 以下視鏡頭POS 為參考來(lái)約束側(cè)視鏡頭數(shù)據(jù)

在上海瞰景軟件中，有這樣的選項(xiàng)，其目的就是提升空中三角測(cè)量解算的成功率，避免空三分層。其原理是在數(shù)據(jù)解算的時(shí)候，其余鏡頭的數(shù)據(jù)，都已下視鏡頭的數(shù)據(jù)為參照，就是在平差的時(shí)候，不但參考了POS 數(shù)據(jù)，而且也參考了下視鏡頭的影像，從而確保解算的數(shù)據(jù)在同一平面上，提升了空三的解算成功率。

2.3 優(yōu)化影像質(zhì)量

對(duì)于內(nèi)業(yè)來(lái)說(shuō)，提升影像的質(zhì)量，主要包括去掉影像的畸變和提升影像的亮度和對(duì)比度，這樣在數(shù)據(jù)解算的時(shí)候，可以得到更精準(zhǔn)的加密點(diǎn)，從而提升數(shù)據(jù)的解算精度和成功率。

2.3.1 基于蒙板降低影像畸變的影響

基于蒙板主要的作用是減小影像的畸變，但實(shí)際上并不是減少影像的畸變，而是設(shè)置參與數(shù)據(jù)解算的范圍，利用蒙板的技術(shù)，將影像分為兩部分，即參與空三解算的區(qū)域和不參與空三解算的區(qū)域。蒙板是通過(guò)兩種顏色來(lái)表示的，即黑色和白色。對(duì)于參與數(shù)據(jù)解算的區(qū)域填充為白色，對(duì)于不參與數(shù)據(jù)解算的區(qū)域，則填充為黑色。蒙板可以針對(duì)某一文件夾內(nèi)所有的影像，也可以用于單張影響。如果是用于所有影像，則需要將蒙板和影像放在同一文件夾內(nèi)，且命名必須為mask.tif，然后新建工程，加載影像，蒙板就會(huì)起作用，這樣蒙板就設(shè)置完成了。蒙板設(shè)置完成后，在空中三角測(cè)量解算時(shí)，其對(duì)影像邊緣部分，不進(jìn)行提點(diǎn)操作，只是針對(duì)白色填充區(qū)域進(jìn)行空三加密，這樣有效降低了影像畸變帶來(lái)的影響，提升了加密點(diǎn)的精度，有助于空中三角測(cè)量的解算。

2.3.2 基于勻光勻色軟件提升影像的質(zhì)量

由于無(wú)人機(jī)像幅小，獲取的影像數(shù)量多，加上相機(jī)鏡頭質(zhì)量一般，其獲取的影像一般來(lái)說(shuō)亮度不高，色差大，對(duì)比度不明顯，不利于數(shù)據(jù)的解算，因此需要對(duì)其進(jìn)行勻光勻色、亮度調(diào)整的處理。目前對(duì)于影像質(zhì)量的處理，通常是利用軟件實(shí)現(xiàn)的。首先利用Photoshop 軟件，對(duì)某一幅具有代表性的影像進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。主要調(diào)整亮度、對(duì)比度兩項(xiàng)參數(shù)。調(diào)整完成后，將該過(guò)程進(jìn)行記錄，然后利用批處理的方式對(duì)其進(jìn)行處理，得到亮度、對(duì)比度符合要求的影像。對(duì)于影像的色差，則采用勻光勻色軟件進(jìn)行。利用航天遠(yuǎn)景的易拼圖（EPT）軟件，完成影像的勻光勻色處理。首先選擇一幅參考影像，參考影像的選擇要具備代表性、地物類(lèi)型豐富。然后將待處理的影像加載到軟件中，設(shè)置參考影像和勻光方法，選擇輸出格式，完成影像的勻光勻色，具體設(shè)置如圖3 所示。

圖3 勻光勻色參數(shù)設(shè)置

2.4 軟件組合使用

目前傾斜攝影測(cè)量解算軟件較多，如PhotoScan（下文簡(jiǎn)稱(chēng)PS）、ContextCapture（下文簡(jiǎn)稱(chēng)CC）、中測(cè)智繪的Mirauge3D（下文簡(jiǎn)稱(chēng)M3D）、大疆的大疆智圖（DJI Terra）、航天遠(yuǎn)景的Virtuoso3D、上海瞰景的Smart3D 等，各軟件均有優(yōu)劣勢(shì)，組合使用，可以發(fā)揮軟件的各自?xún)?yōu)勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)解算來(lái)說(shuō)，成功率和效率均會(huì)有明顯提升。軟件的組合使用屬于優(yōu)化后，優(yōu)化前是指僅使用CC 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，優(yōu)化后的所耗時(shí)長(zhǎng)是兩款軟件共用時(shí)長(zhǎng)。

2.4.1 PS 與CC 軟件組合使用

在實(shí)際作業(yè)中，將PS 軟件和CC 軟件組合使用，可以有效提升空三的解算成功率。PS 軟件具備海量數(shù)據(jù)解算的能力，但是其用于實(shí)景三維模型生產(chǎn)的話(huà)，沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)，劣勢(shì)較多，因此一般只用來(lái)進(jìn)行空三加密的解算。對(duì)于CC 軟件解算不過(guò)的數(shù)據(jù)，使用PS 基本上都可以快速完成，并且其精度良好。在作業(yè)過(guò)程中，首先用PS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，然后將其解算得到的空三成果，輸出為通用格式XML，然后將其導(dǎo)入到CC 軟件中，利用CC軟件進(jìn)行平差調(diào)整，然后進(jìn)行后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)。該組合可以提升空三的解算效率和精度，對(duì)于數(shù)據(jù)處理人員來(lái)說(shuō)，該方法很實(shí)用。

2.4.2 M3D 與CC 軟件組合使用

M3D 對(duì)于傾斜攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，其主要的作用就是快速獲取比較準(zhǔn)確的影像外方位元素。M3D 軟件精度一般，但是其數(shù)據(jù)解算成功率高，不易失敗，因此常被用來(lái)進(jìn)行對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。首先利用該軟件，得到精度較低、帶有外方位元素的影像POS 數(shù)據(jù)，然后將其導(dǎo)出通用的XML 格式，然后導(dǎo)入CC 軟件中。該軟件較PS 來(lái)說(shuō)，其加密點(diǎn)可以根據(jù)需求進(jìn)行抽稀，因此數(shù)據(jù)量再大，也可以進(jìn)行抽稀輸出，確保在導(dǎo)入CC 軟件時(shí)，不會(huì)因內(nèi)存溢出而導(dǎo)致建模失敗。

3 統(tǒng)計(jì)分析

為了確保本文提出的方案具有通用性，以不同類(lèi)型的項(xiàng)目對(duì)提出的多個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。表中空三成果是否可用按照“是”、“否”填寫(xiě)，空三成果精度單位為像素，空三解算時(shí)長(zhǎng)單位為小時(shí)。

通過(guò)表1 中的情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，采用本文的方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，其空三解算成果均可用。從空三成果精度來(lái)看，優(yōu)化后的空三精度普遍要比優(yōu)化前的高。在空三解算時(shí)長(zhǎng)方面來(lái)說(shuō)，部分優(yōu)化后的空三耗時(shí)要比優(yōu)化前的多，但是相比優(yōu)化前來(lái)說(shuō)，其成果是可用的，表明本文的優(yōu)化方案是可行的。

表1 不同方案優(yōu)化前后結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

本文針對(duì)傾斜攝影空中三角測(cè)量解算容易出現(xiàn)分層、彎曲、失敗率高的問(wèn)題，提出一些切實(shí)可行的方案。主要從相機(jī)參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)、影像質(zhì)量和軟件組合使用四個(gè)方面進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的優(yōu)化方案。以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以表明：本文提出的優(yōu)化方案，在一定程度上，可以提升空三的解算效率和成功率，對(duì)于傾斜攝影數(shù)據(jù)解算來(lái)說(shuō)，具有非常實(shí)用的借鑒意義。