傾斜攝影實(shí)景三維模型的檢查驗(yàn)收方法探索

張桂英

（遼寧省檢驗(yàn)檢測認(rèn)證中心-遼寧省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，遼寧 沈陽 110034）

0.引言

近年來，測繪成果搭上了數(shù)字化這趟快車，無論是生產(chǎn)還是應(yīng)用都發(fā)生了天翻地覆的變化，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式早已被新興的、快捷的生產(chǎn)模式所取代，正如本文所要討論的傾斜攝影所成的實(shí)景三維模型一樣，模型為使用者提供了多角度的影像資料，實(shí)現(xiàn)了“無處不三維”。當(dāng)前生產(chǎn)傾斜攝影實(shí)景三維模型是通過傾斜攝影在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像[1]，可以實(shí)現(xiàn)建筑物的正射影像與其立面紋理的傾斜影像相結(jié)合[2]，利用相應(yīng)建模工具，可進(jìn)行自動(dòng)化紋理映射與自動(dòng)三角網(wǎng)構(gòu)建，在快速三維建模、高精度三維建模上具有廣闊的應(yīng)用前景，能夠有效地降低城市三維建模成本[3]。相對于傳統(tǒng)三維模型，建模速度快，建模效果逼真等優(yōu)點(diǎn)。

傾斜攝影實(shí)景三維模型目前還是一項(xiàng)較新的技術(shù)，雖然生產(chǎn)已經(jīng)開展得如火如荼，但是有關(guān)的質(zhì)量控制和檢查驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)還沒有明確的依據(jù)，現(xiàn)有的相關(guān)的質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)相對于傾斜攝影實(shí)景三維模型來說，有些是不適應(yīng)的，為了順應(yīng)新產(chǎn)品的特點(diǎn)，我們參考現(xiàn)有規(guī)范，對產(chǎn)品質(zhì)量的檢查驗(yàn)收進(jìn)行了研究。

1.傾斜攝影實(shí)景三維模型生產(chǎn)

目前用于傾斜攝影實(shí)景三維模型生產(chǎn)的航空攝影儀依照不同地形類別，主要可分為瑞士產(chǎn)RCD30、我國產(chǎn)SWDC-5，焦距為50mm（下視傳感器）和奧地利UCOP 焦距為80mm（下視傳感器）等兩種；目前能夠用于生產(chǎn)傾斜攝影三維模型的軟件較多，其中以Smart3D、Pixel Factory、Street Factory、SKYline 等為代表的生產(chǎn)軟件，其生產(chǎn)的流程大體（如圖1 所示）：

2.傾斜攝影實(shí)景三維模型檢查驗(yàn)收

傾斜攝影和實(shí)景三維模型是新型的數(shù)字測繪成果。傾斜攝影脫胎于框幅式的航空攝影，能夠提供包括下視影像在內(nèi)的5 個(gè)視角的原始影像，使生產(chǎn)實(shí)景三維模型有盡可能多的影像選擇。因此，傾斜攝影成果不但要滿足框幅式航空攝影的所有要求外，還要滿足相鄰像片和航帶之間的重疊度至少要在70%以上的要求。

然而在檢查驗(yàn)收的過程中，最終判定成果合格與否，要通過對實(shí)景三維模型的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)來確定。

2.1 傾斜攝影實(shí)景三維模型的檢查驗(yàn)收的各項(xiàng)參數(shù)

規(guī)范對項(xiàng)目的檢查驗(yàn)收來說，在滿足基本條件下參照執(zhí)行，況且對目前國家沒有完全針對性的規(guī)范，參考CH/T 9024-2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，基本可用空間參考系、位置精度、表達(dá)精細(xì)度、邏輯一致性、屬性精度、時(shí)間精度、場景效果、附件質(zhì)量[4]作為檢查驗(yàn)收的參數(shù)。

探索實(shí)景三維模型檢查實(shí)踐中，參考執(zhí)行了現(xiàn)有規(guī)范中適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品檢查的條款，調(diào)整了不適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)，確保了檢查驗(yàn)收工作的嚴(yán)謹(jǐn)性、完整性。

2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)的調(diào)整

2.1.1 .1 位置精度檢查參數(shù)的調(diào)整

圖1 傾斜攝影實(shí)景三維模型生產(chǎn)流程圖

現(xiàn)有規(guī)范中位置精度檢查包括平面位置精度、高度精度、模型間相對位置、模型自身相對位置四項(xiàng)參數(shù)檢查，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，平面位置精度的檢查是毋庸置疑，但高度精度檢查明顯不適應(yīng)于實(shí)景三維模型的檢查，我們知道，傾斜攝影實(shí)景三維模型的特點(diǎn)是“無處不三維”，而僅對模型的建筑物高度進(jìn)行考量，顯然是片面的，地面高程的精度也應(yīng)是模型考量的一部分，只有對模型的平面位置和包括地面、建筑物等高程精度進(jìn)行檢查才能符合傾斜攝影三維模型的特點(diǎn)，因此規(guī)范中的“高度”精度檢查調(diào)整為模型整體的高程精度檢查。

通過對撫順市建成區(qū)內(nèi)同一幅圖的地面高程和建筑物高程分別統(tǒng)計(jì)中誤差也表明，將同一地區(qū)地面高程和建筑物高程精度統(tǒng)一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)是科學(xué)的、可行的。這為將“高度”精度統(tǒng)計(jì)調(diào)整為"高程"精度的統(tǒng)計(jì)提供了有力的證據(jù)。同一幅圖的地面高程點(diǎn)和建筑物上高程點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)高程中誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如表1 所示）：

表1 地面和建筑物上高程點(diǎn)中誤差統(tǒng)計(jì)表

傾斜攝影實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，是經(jīng)過恢復(fù)航空攝影的姿態(tài)、空三加密、建立白膜數(shù)據(jù)、整體的紋理映射，使模型成為剛性的整體，模型間的相對位置和模型自身相對位置變形可以忽略不計(jì)，因此考量實(shí)景三維模型位置精度也就是考察平面位置和高程位置精度。

2.1.1 .2 表達(dá)精細(xì)度檢查參數(shù)的調(diào)整

規(guī)范中表達(dá)精細(xì)度包括地形精度、DOM 精度和TDOM 精度、模型精細(xì)度、紋理精細(xì)度，而實(shí)景三維模型生產(chǎn)的手段已經(jīng)發(fā)生了根本性的改變，模型是一“剛性”的整體，實(shí)景三維模型內(nèi)部的單模型與單模型之間相對關(guān)系就如一幅帶有地形模型的“DOM”，同時(shí)又兼有“傳統(tǒng)模型”的特性，因此，“三維模型”的變形、“空洞”和“DOM”的色彩、噪聲、信息是否丟失等可以作為考量表達(dá)精細(xì)度的指標(biāo)。

2.1.1 .3 場景效果檢查參數(shù)的調(diào)整

規(guī)范中規(guī)定的“場景效果”是指傳統(tǒng)手段生產(chǎn)三維模型所需的“大場景”的概念，傳統(tǒng)的模型是需要有“大場景”作為依托來展示的，為適應(yīng)傾斜攝影實(shí)景三維模型產(chǎn)品特點(diǎn)，將場景效果檢查調(diào)整為完整性檢查。即（1）檢查場景覆蓋的范圍是否可以滿足要求；（2）檢查場景內(nèi)部覆蓋是否完整，是否有漏洞等。

其余邏輯一致性、屬性精度兩項(xiàng)檢查本次生產(chǎn)任務(wù)沒有涉及，故不做檢查項(xiàng)。

綜上所述，傾斜攝影實(shí)景三維模型的檢查驗(yàn)收參數(shù)確定為空間參考系、位置精度、表達(dá)精細(xì)度、時(shí)間精度、完整性、附件質(zhì)量。

2.2 傾斜攝影實(shí)景三維模型的檢查驗(yàn)收的關(guān)鍵點(diǎn)

2.2.1 抽樣方案的確定

按照檢查驗(yàn)收的規(guī)定，抽取樣本是在組成檢驗(yàn)批和確定樣本量的基礎(chǔ)上完成的。為了方便質(zhì)量問題、精度統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)一衡量尺度，引入了“比例尺”的概念。本次航攝的攝影分辨率為0.08m，可以滿足1∶1000 比例尺的成圖要求，但是為了提高有效檢測結(jié)果范圍，也參考了行業(yè)上應(yīng)用的特點(diǎn)，穩(wěn)妥起見，我們選擇了1∶2000比例尺，作為精度的檢查質(zhì)量評(píng)定依據(jù)。依據(jù)GB/T 18316-2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，本次檢查驗(yàn)收抽樣詳細(xì)情況（如表2所示）：

表2 檢查驗(yàn)收抽樣詳細(xì)情況表

2.2.2 精度指標(biāo)的確定

精度統(tǒng)計(jì)是數(shù)字測繪成果的重要環(huán)節(jié)，各種應(yīng)用均來自對成果的“定位”這一基本要求，然而誤差來源于生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)對于精度的損失，數(shù)字測繪成果存在的誤差要控制在合理的范圍內(nèi)?？紤]到數(shù)字三維模型與數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM 的相近性，數(shù)字三維模型同時(shí)包含地表的平面信息和高程信息，在充分論證的基礎(chǔ)上，平面精度統(tǒng)計(jì)參考數(shù)字正射影像的方法進(jìn)行，高程精度統(tǒng)計(jì)參考數(shù)字高程模型的方法進(jìn)行，因此平面位置精度需要滿足0.6mm（在1∶2000 比例尺的圖上），高程精度要求要滿足0.75m，困難地區(qū)（如林區(qū)、攝影死角、陰影覆蓋隱蔽區(qū)等）的中誤差放寬0.5 倍，兩倍中誤差為最大誤差。

2.2.3 位置精度的檢查方法

為了能對實(shí)景三維模型進(jìn)行檢查，在SKYLINE 平臺(tái)上二次開發(fā)了“三維多源遙感數(shù)據(jù)成果質(zhì)檢平臺(tái)”，平臺(tái)界面（如圖2 所示）：

圖2 三維多源遙感數(shù)據(jù)成果質(zhì)檢平臺(tái)

精度比對檢查采用“三維多源遙感數(shù)據(jù)成果質(zhì)檢平臺(tái)”進(jìn)行檢查。檢查方法為：

利用野外采集平面和高程位置數(shù)據(jù)，在三維多源遙感數(shù)據(jù)成果質(zhì)檢平臺(tái)下套和模型中同名點(diǎn)比較平面和高程位置，檢查實(shí)景三維模型的平面和高程的位置精度。

檢查數(shù)據(jù)采用全野外數(shù)據(jù)采集，所需儀器采用RTK+全站儀，平面采集點(diǎn)位為樓角（有女兒墻的在墻頂）、花壇池角等有明確的位置，高程點(diǎn)點(diǎn)位包括樓角（有女兒墻的在墻頂）、花壇池角、路面、橋面、堤頂?shù)?。采集點(diǎn)位數(shù)量要求符合1∶2000 比例尺的要求。

在18 幅樣本中選取4 幅圖進(jìn)行平面位置檢測：共采集150 個(gè)明顯地物點(diǎn)，按幅統(tǒng)計(jì)地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，4 幅圖中最大地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為±0.23mm，未發(fā)現(xiàn)粗差。高程檢測共采集139 個(gè)高程點(diǎn)，按幅統(tǒng)計(jì)地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，4 幅圖中最大高程中誤差為±0.54m，未發(fā)現(xiàn)粗差。平面和高程精度均滿足設(shè)計(jì)要求。

目前這個(gè)平臺(tái)已經(jīng)完成了多個(gè)任務(wù)區(qū)的檢查驗(yàn)收工作，對于實(shí)景三維模型的質(zhì)量控制提供有力的工具保障。在這個(gè)平臺(tái)上復(fù)核檢查了成果的空間參考系、位置精度、表達(dá)精細(xì)度、邏輯一致性、時(shí)間精度、完整性，人工復(fù)核了各種文檔資料，即附件質(zhì)量。

3.關(guān)于傾斜攝影實(shí)景三維模型質(zhì)量的思考

傾斜攝影實(shí)景三維模型能夠從無到有發(fā)展到今天，是歷經(jīng)數(shù)次技術(shù)革命的結(jié)果，從目前的成果看，仍然存在著不盡人意之處，如模型的“空洞”、“變形”、垃圾數(shù)據(jù)等，對于模型精細(xì)度檢查考量是評(píng)價(jià)三維模型的核心指標(biāo)，目前受制于當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)、軟件計(jì)算等，較難形成普遍一般性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即指標(biāo)量化。當(dāng)前評(píng)價(jià)模型精細(xì)度主要通過對模型整體是否缺失，重要模型是否存在“丟失”或“變形”數(shù)量等，作為基本評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。（如圖3所示）為模型數(shù)據(jù)（紋理缺失），（如圖4所示）為野外采集的照片。

圖3 為模型數(shù)據(jù)

圖4 為野外采集照片

造成空洞的原因有兩方面，第一是航空攝影階段，由于存在航攝死角，會(huì)導(dǎo)致在生成模型時(shí)存在空洞；空三階段，由于像片及pos 參數(shù)的質(zhì)量問題，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)匹配錯(cuò)誤以及點(diǎn)位不足等情況，導(dǎo)致建模后產(chǎn)生空洞[5]。目前對于模型修補(bǔ)的研究還停留在對于水面的修補(bǔ)，對于建筑物等空洞隨處可見，模型看起來“支離破碎”，依靠修補(bǔ)技術(shù)改進(jìn)模型效果是不可行的。

模型的變形來自于點(diǎn)位的自動(dòng)匹配后密度不均勻，盡管有些項(xiàng)目加入機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后模型有所改觀，但也沒有完全解決問題，況且增加了投入。

垃圾數(shù)據(jù)：一方面是由于地形起伏較大，平均高程面控制有難度造成的；另一方面是自身軟件計(jì)算造成的，也是由于地形起伏較大，軟件對于低于平均高程面的部分也產(chǎn)生數(shù)據(jù)，從而形成了垃圾。

這些問題的存在都是目前不可回避的事實(shí)，對于今后的硬件和軟件都提出了發(fā)展方向，即在空洞問題上，航空攝影階段是否可以通過改進(jìn)傳感器的感知材料，或提高傳感器的采集方向，來降低對于敏感地區(qū)的感應(yīng)；空三部分是否可以通過加強(qiáng)內(nèi)插點(diǎn)的密度以及增加人機(jī)交互的機(jī)會(huì)來控制空洞的產(chǎn)生；模型的變形和垃圾數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是否可以通過改善軟件的計(jì)算能力來解決等。

總之，通過人工少量的干預(yù)，就能達(dá)到令人滿意的效果，還尚需時(shí)日。

4.結(jié)束語

本文著重論述了傾斜攝影實(shí)景三維模型的檢查驗(yàn)收參數(shù)的調(diào)整，驗(yàn)收方案、樣本量、位置精度統(tǒng)計(jì)方法的確定，以及對目前實(shí)景三維模型生產(chǎn)質(zhì)量的思考，對于實(shí)景三維模型的發(fā)展提出了建議。