王審娟

（三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000）

隨著農村房地一體項目和美麗鄉(xiāng)村建設項目如火如荼地開展，以及傾斜攝影技術的日益完善，傳統(tǒng)的生產地籍圖和立面圖的作業(yè)方式也發(fā)生了改變[1-2]。傾斜攝影技術已經被廣泛應用到大比例尺地形圖生產、地籍圖生產、立面圖生產和4D 產品生產中來，隨著實景三維中國項目的推進，傾斜攝影成果的用途越來越廣泛?；诖怪睌z影的攝影測量軟件目前已經很多，且基本上都可以滿足生產需要，然而傾斜攝影測量軟件目前并不多，且每款軟件都有不足，很難利用一款軟件解決實際項目生產中的需求。本研究從傾斜攝影空中三角測量解算入手，對目前兩款用戶較多的軟件，利用兩組影像數差異較大的實際生產數據進行測試，結果表明，所測試的兩款軟件在對傾斜攝影數據進行空中三角測量解算時，各有優(yōu)劣勢，通過將兩款軟件的優(yōu)勢相結合，不但可以提高空中三角測量解算的精度，且提升了解算的成功率，可為從事相關工作的作業(yè)人員提供一種新的思路，來提高自身的技術水平，提高工作效率，為數據按時生產提供保障。

1 無人機傾斜攝影技術

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影是指在無人機的飛行平臺上掛載多個航攝儀，完成對地面影像數據的采集。常見的搭載的是5 個相機，其中1 個垂直相機，4 個側視相機，側視相機與垂直相機夾角一般為45°，側視相機焦距為垂直相機焦距的1.4 倍[3-4]。目前由于無人機對荷載質量有要求，加上相機價格昂貴，因此搭載的常為非量測數碼相機[5-6]。該相機存在畸變差，因此在使用影像進行數據解算時，都是需要對影像數據進行畸變糾正的[7]。畸變糾正一般有軟件外部糾正和軟件內部糾正兩種，由于不同軟件對數據糾正解算原理不一樣，因此常用的為軟件內部糾正，這樣便于軟件更好地對數據進行解算。利用建模軟件對傾斜攝影數據進行解算，可以得到空中三角測量加密成果和實景三維模型，基于上述產品，又可以生產傳統(tǒng)的4D 產品和立面圖、地籍圖等產品。

1.2 無人機傾斜攝影建模流程

無人機傾斜攝影建模主要包括兩部分，即外業(yè)數據采集和內業(yè)數據加工處理。外業(yè)數據采集是指按照一定作業(yè)流程，通過航飛的方式獲取航攝影像，主要包括航飛前的測區(qū)資料收集和調查，空域申請、航線規(guī)劃、控制點噴涂和測量、外業(yè)數據獲取。內業(yè)數據處理是指利用專業(yè)的建模軟件，通過自動或半自動的操作方式，將傾斜攝影數據轉為實景三維模型的過程。傾斜攝影建模主要流程包括數據預處理，空中三角測量，像控點轉刺與平差調整，多視影像密集匹配，密集數字地表模型（Digital Surface Model,DSM）生成，不規(guī)則三角網（Triangulated Irvegulav Network,TIN）構建與優(yōu)化，白膜生成、紋理映射和格式轉換輸出[8-10]，其主要作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 無人機傾斜攝影建模流程示意圖

2 空中三角測量原理

航攝影像，具有一定的重疊度，然后基于特征檢測、特征提取、圖像相似度計算、特征匹配、平差調整等一系列算法，得到基于定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation Systen,POS）坐標系下的虛擬坐標，然后結合外業(yè)采集的像控點，將像控點轉刺到影像對應的實際位置上，再通過平差調整，將虛擬坐標系下的虛擬坐標轉為控制點坐標系下的絕對坐標。通過空中三角加密解算，就可以得到立體像對，通過立體像對，就可以獲得影像上任何一點的三維坐標，基于此，才可進行地形圖等其他測繪產品的生產。

3 實景三維模型生產原理

空中三角加密成果只是一個定位點，對于后期生產實景三維模型是不夠用的。其加密的成果，只是少量稀疏的三維點坐標，這些點坐標，由于密度低，不能準確地反映實地的地形起伏變化。為了解決這一問題，在算法方面，引入了多視影像密集匹配技術。多視影像密集匹配是基于現(xiàn)有的空中三角成果，計算測區(qū)每個物方點的三維坐標，并將計算得到的結果保存下來。通常主要分為構建尺度空間、特征點檢測及定位和確定特征點方向3 步。得到密集的三維點坐標后，需要通過構建不規(guī)則三角網的形式，對離散的三維坐標點進行構網，這樣就可以得到TIN 模型，而TIN 模型是目前公認的，最能準確描述地表的真實起伏形態(tài)。在構建三角網的時候，應遵循構建的面互不交叉、互不重疊這一原則。

實景三維模型可以真實準確地反映現(xiàn)實狀態(tài)，而構建的TIN 模型屬于白膜，沒有貼圖，這樣給人的感覺不直觀、不真實，因此需要對其進行紋理映射。紋理映射目前主流的方法有正向映射和反向映射。紋理映射依據的核心理論是共線方程，即攝影測量基礎理論中的物像空間中的物點、紋理影像空間中的像點和投影中心這三點共線。依據共線方程與影像的外方位元素將三角網上的3 個點坐標投影至影像的像方坐標系中，結合建模工作前期計算過程中金字塔解算、點云匹配、空中三角運算等工作，最后計算出3 個投影點的紋理坐標，通過這個三角形在二維影像上形成的區(qū)域將所需的紋理投影至三角網上，最后通過處理篩選多幅影像內的紋理進一步選出貼近現(xiàn)實的模型紋理，這樣就可以得到帶有紋理貼圖信息的三維模型，也就是常說的實景三維模型。

4 項目驗證

4.1 測區(qū)概況

（1）測區(qū)1 位于某一農村村落，房屋較密集，測區(qū)面積約1 km2，高差約10 m，項目主要是通過傾斜攝影的方式生產地籍圖。結合地形和項目需求，選用旋翼機，搭載5 鏡頭相機，垂直焦距35 mm，側視焦距均為50 mm，航向、旁向重疊度均設置為85%，航飛90 m，地面采樣分辨率為1.3 cm，航飛2 架次，共獲得有效影像數13 055 張，5 個相機共用下視鏡頭POS 數據，按照150 m 距離均勻采集像控點40 個。

（2）測區(qū)2 位于某城區(qū)某一巷道，巷道兩側樹木較少，房屋較規(guī)整，長約150 m，項目主要是通過傾斜攝影的方式生產立面圖。結合巷道實際情況和項目需求，選用旋翼機，搭載5 鏡頭相機，航飛80 m，地面采樣分辨率為1.2 cm，沿巷道走向對巷道兩側建構筑物進行傾斜攝影，航飛1 架次，共獲得有效影像數1 540 張，5 個相機共用下視鏡頭POS 數據，采集像控點6 個。

4.2 建模軟件簡介

（1）Mirauge3D（以下簡稱M3D）軟件。該軟件是北京中測智繪自主研發(fā)的一款實景三維建模軟件，可自動對POS 數據坐標進行轉換，可自動將二維影像轉為實景三維模型，支持海量數據的運算。獨特的空中三角測量機制，將海量數據自動劃分為多個任務，依次完成每個任務的解算，最后利用單機模式完成區(qū)塊空三成果的自動融合，在空中三角解算方面，具有非常明顯的優(yōu)勢。但是通過對現(xiàn)有版本進行測試，該軟件生產的模型，優(yōu)勢不明顯，在多數情況下，是難以滿足項目需求的，因此該軟件并不適合用于模型的生產。

（2）Context Capture（以下簡稱CC）軟件。該軟件是Bentley 公司名下的一款自動建模軟件，支持多源數據、點云數據的建模，軟件解算效率高，生產的模型精細度很高，支持集群提取特征點，單機完成平差調整，輸出成果格式多，是目前用戶使用最多的一款建模軟件。但是該軟件劣勢也比較明顯，就是不適合用于解算影像數較多的空中三角，通過率并不理想。

4.3 基于M3D 軟件的空中三角測量解算

對測區(qū)1 和測區(qū)2 的數據進行預處理。M3D 軟件中不允許導入的影像存在重名，因此需要對影像和POS 進行重命名。利用拖把更名器對5 鏡頭影像進行重命名，確保5 鏡頭影像無重名；對POS 數據重命名，確保POS 名和影像名一一對應。按照常規(guī)操作，新建工程，導入影像和POS 數據，完善相機參數，根據像控點求出測區(qū)平均高程，提交空中三角測量任務，打開并設置引擎路徑，開始空中三角測量解算。解算完成后，查看成果，測區(qū)1 和測區(qū)2 解算成果均無明顯分層，將像控點全部進行轉刺，并提交平差任務。平差完成后，查看平差報告，可得出：測區(qū)1 中加密點重投影中誤差為0.94 個像素，加密點中誤差為0.76 個像素，像控點平面中誤差為0.054 m，約為，高程中誤差為0.061 m。測區(qū)2 中加密點重投影中誤差為0.91 個像素，加密點中誤差為0.74 個像素，像控點平面中誤差為0.049 m，高程中誤差為0.057 m。測區(qū)1 和測區(qū)2 中加密點重投影中誤差均小于1 個像素，加密點中誤差均小于0.8個像素，空中三角測量成果可用，但是精度較差。

4.4 基于CC 軟件的空中三角測量解算

對測區(qū)1 和測區(qū)2 數據進行預處理。CC 軟件中允許影像重名，因此無需對影像進行重命名。新建工程，導入影像和POS 數據，完善相機參數，對影像進行快速檢查，影像無損壞，均可使用。按照軟件默認參數，提交空中三角測量任務，設置路徑并開啟引擎，完成對任務的解算。解算完成后，查看成果，測區(qū)1 解算成果不可用，出現(xiàn)了明顯的分層，5個鏡頭數據分成了5 個層；測區(qū)2 成果無明顯分層，轉刺像控點并平差，平差結束后查看平差報告，報告中加密點重投影中誤差為0.31 個像素，加密點中誤差為0.28 個像素，像控點平面中誤差為0.011 m，高程中誤差為0.015 m。測區(qū)2 空三解算成果可用，精度較好。

4.5 基于M3D 和CC 軟件的空中三角測量解算

將M3D 軟件中2 組測試數據空中三角測量成果導出為可交換格式的xml，在導出時將連接點也一并導出，將導出的成果導入CC 軟件中，并在成果的基礎上再次提交一次任務，加密點重新進行計算，待解算完，查看空中三角測量報告。具體數值見表1。

表1 在不同測區(qū)各軟件成果統(tǒng)計表

通過表1 可以看出，M3D 在空中三角測量解算時，通過率很高，但是精度較差，在精度要求高的前提下，其不具有明顯的優(yōu)勢；CC 在空中三角測量解算時，通過率較低，但是精度較高，適合用于高精度空中三角測量，但是由于失敗率高，因此在實際作業(yè)過程中，可能會浪費很多時間在解算上；將M3D解算的成果導入CC 軟件再次解算，不但空中三角測量解算通過率提高了，而且精度也有了明顯的提升，對于多數項目而言，該方案可能更適合用于項目的生產。

雖然優(yōu)點很明顯，但是也存在一定的缺點。第一，兩款軟件搭配使用，對作業(yè)員要求比較高，需要作業(yè)人員掌握兩款軟件；第二，兩款軟件均屬于商業(yè)軟件，同時采購兩款軟件，對多數單位來說，并不容易實現(xiàn)。

5 結束語

本研究以2 組數據為例，對兩款軟件在空中三角測量解算環(huán)節(jié)的精度和通過率進行對比分析，得出兩款軟件各自的優(yōu)勢，并將二者的優(yōu)勢相結合，再次進行空中三角測量解算驗證，實驗表明，將二者的優(yōu)勢相結合，不但可以提高空中三角測量環(huán)節(jié)解算的通過率，而且精度也有了明顯的提升。對于要求不高的項目，可以采用M3D 軟件直接進行解算；對于影像數少，要求高的項目，可以采用CC 軟件作業(yè)；對于要求較高，且影像數多的項目，可以采用本研究的方案進行作業(yè)。