基于多視前方交會實景三維模型測圖精度分析

張文安 ，苗小利

(1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199； 2.上海盛圖遙感工程技術(shù)有限公司，上海 201803)

傾斜航空攝影測量技術(shù)是測繪技術(shù)進步的必然產(chǎn)物，也是國內(nèi)近幾年發(fā)展迅猛的一項新技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)只能獲取地表垂直角度影像的局限，可以獲取垂直和傾斜多個不同的觀測角度的影像，同時還能獲得地物目標(biāo)全方位的紋理信息。經(jīng)過多視空中三角測量、多視前方交會、紋理映射、三維重建過程，生成實景三維模型，相比傳統(tǒng)的虛擬立體模型，實景三維模型能夠引領(lǐng)用戶更接近真實、可測量的直觀世界[1-6]。因此，基于其具有的獨特優(yōu)勢，實景三維模型測圖成為國內(nèi)目前立體測圖的有效方法之一，受到了測繪領(lǐng)域及相關(guān)領(lǐng)域的高度關(guān)注。

1 技術(shù)原理

實景三維模型生產(chǎn)的技術(shù)原理主要有三方面的關(guān)鍵技術(shù)：一是傾斜大重疊航空攝影；二是多視前方交會；三是紋理映射技術(shù)。

1.1 傾斜大重疊航空攝影

傾斜航空攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，從垂直和傾斜多個不同的觀測角度獲取影像[7]，同時還能獲得地物目標(biāo)全方位的紋理信息，為實景三維模型生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)保障。

大重疊度航空攝影則是為了增加航空攝影測量的多余觀測數(shù)，從平差理論而言,多余觀測數(shù)越多,平差結(jié)果的精度和可靠性就越高[8]。所以要提高攝影測量的精度，就要采取大重疊度的航空攝影。張永軍等在分析影像重疊度與交會精度的關(guān)系時，利用連續(xù)9張像片進行實驗，影像最大為8度重疊，按深度方向由遠到近選擇了5個點。試驗結(jié)果表明，隨著影像重疊數(shù)目的增加，所有點在深度(高程)方向的交會精度均不斷提高,其中,2度重疊到3度重疊和3度重疊到4度重疊時,交會精度迅速提高。從5度重疊開始精度提高變緩[9]。因此傾斜大重疊度航空影像，其航線方向重疊要求優(yōu)于80%，而旁向重疊要求優(yōu)于50%。

另外，影像重疊度越大，相鄰影像間的同名點的差異就越小，自動匹配越容易，匹配點越多，為自動密集匹配提供了技術(shù)支持。

1.2 多視前方交會

前方交會的精度受影像間的重疊度和交會角的共同影響[10-11]。在傳統(tǒng)的攝影測量中，空中三角測量時只能利用三度重疊點，立體測圖時只能通過兩度重疊點進行前方交會，因而交會角是由相鄰影像的重疊度(或攝影基線的長度)確定的；而現(xiàn)代傾斜攝影測量技術(shù)，利用所有的大重疊度影像，實現(xiàn)了多視空中三角測量、多視立體測圖。由過去的三度重疊點、二度重疊點前方交會測量，變成了五度重疊點以上的多視前方交會測量。而交會角則是由所有影像中間隔最大的兩張影像所確定的，因此比傳統(tǒng)的相鄰兩張影像所確定的交會角大，因而多視前方交會的精度也更高，從而為高精度測量提供了技術(shù)支持。

1.3 紋理映射技術(shù)

傾斜航空攝影可以同步獲取建筑物的頂部紋理和側(cè)面紋理信息，相較于傳統(tǒng)的航空攝影，

大大提高紋理獲取效率，通過紋理映射給三維網(wǎng)格模型賦予彩色的紋理，增強了三維模型的真實感、可辨識性[12-15]。因此，紋理影射技術(shù)是實景三維模型構(gòu)建中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

紋理映射技術(shù)是通過物方(三維格網(wǎng)模型)與像方(影像紋理)的幾何投影關(guān)系，利用攝影測量的共線方程計算獲得與地物表面對應(yīng)的影像紋理信息，然后通過遮擋檢測技術(shù)，剔除有遮擋現(xiàn)象的影像紋理信息，最后通過一定的最優(yōu)算法選擇出地物面的理想紋理，實現(xiàn)城市建筑物紋理的自動提取。

三維格網(wǎng)模型的紋理映射主要包括：一是將三維格網(wǎng)模型中的三角形與紋理的三角形進行一一對應(yīng)；二是建立三維網(wǎng)格與影像紋理三角形的一對多的關(guān)系列表，即紋理數(shù)據(jù)集；三是從紋理備選影像集中選出最佳影像，構(gòu)建紋理三角形與三維模型三角面之間的映射關(guān)系。四是對傾斜影像像素進行重采樣，將像素重寫在模型側(cè)面和頂面，從而實現(xiàn)模型紋理的映射。

2 基于實景三維模型測繪地形圖

實景三維模型正是基于上述的技術(shù)原理，通過利用傾斜、大重疊度的航空影像,采用自動匹配技術(shù)和攝影測量原理，對多度重疊點進行基于多條攝影光線的前方交會,生成密集點云構(gòu)建格網(wǎng)模型，經(jīng)過紋理映射、真正射影像糾正等過程進行自動化加工處理后實現(xiàn)的。所以，實景三維模型既滿足了提高精度的兩個條件：增加多余觀測量和大交會角；又具有真實性和可辨識性，是進行立體測圖的一種高效方法。

2.1 項目概況

2019年8～9月開展了基于實景三維模型地形圖測圖的生產(chǎn)實踐，項目位于某市主城區(qū)，總面積約為4.5 km2，平均海拔高為450 m，以丘陵地貌為主。區(qū)內(nèi)居民地密集，依地形階梯式分布；交通發(fā)達，植被茂盛，江河縱橫，區(qū)內(nèi)分布了各類地形圖要素。

本項目采用多旋翼無人機搭載雙鏡頭相機完成傾斜航空攝影。相機平臺為雙魚4.0，單鏡頭像素為4 000萬(SONY RX1)，東西方向飛行，航向和旁向重疊度為70%，地面分辨率平均為0.03 m。采用GPS-RTK進行像控點測量，共測120個平高像控點。

2.2 實景三維模型生產(chǎn)

實景三維模型生產(chǎn)采用國內(nèi)主流的傾斜攝影自動建模軟件ContextCapture Center，它跨越了像片-現(xiàn)實之間的天橋，采用了尖端攝影測量、計算機視覺和計算的幾何算法，可以從簡單的像片,無需人工干預(yù)的情況下,生產(chǎn)出高分辨率的實景三維模型。整個過程包括：(1)導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、像控點等定位數(shù)據(jù)，通過對POS數(shù)據(jù)解算，獲取每張航片的初始外方位元素；(2)多視空中三角測量，獲取每張航片的高精度外方位元素；(3)多視前方交會生成超高密集點云，構(gòu)建Mesh模型；(4)自動無縫紋理映射生成實景三維模型。

經(jīng)過以上處理生成了實景三維模型，如圖1所示。

圖 1 部分實景三維模型

2.3 實景三維模型精度分析

多視空中三角測量是實景三維模型生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]，其精度直接關(guān)系到實景三維模型構(gòu)建的質(zhì)量和精度。因此有必要對空三精度進行分析和監(jiān)控。

本項目根據(jù)航攝分區(qū)，參考慣導(dǎo)精度和外業(yè)像控布點情況，分為4個加密分區(qū)。其中區(qū)域網(wǎng)1，使用像控點8個；區(qū)域網(wǎng)2，使用像控點23個；區(qū)域網(wǎng)3，使用像控點24個；區(qū)域網(wǎng)4，使用像控點31個。4個區(qū)域網(wǎng)加密精度如表1所示。

(1)由表1可知，4個區(qū)域網(wǎng)的重投影中誤差、射線距離中誤差、3D誤差、水平誤差的全中誤差和中位數(shù)，均與區(qū)域網(wǎng)的控制點數(shù)量有關(guān)，隨著控制點數(shù)量的增加，各項精度隨著提高，其中，全中誤差和中位數(shù)的最大值均在區(qū)域網(wǎng)1中，再次證明空三各項精度與控制點數(shù)量緊密相關(guān)。

表1 空三加密精度

(2)垂直誤差的全中誤差的最大值也位于區(qū)域網(wǎng)1中，但4個區(qū)域網(wǎng)中的最大值0.027 1 m和最小值0.022 1 m相差不大，說明控制點數(shù)量(8、23、24、31)對垂直誤差影響不大，特別是在20～30個之間時，影響幾乎可以忽略。

(3)由表1統(tǒng)計可知，3D誤差、水平誤差、垂直誤差的全中誤差均在5 cm以內(nèi)，優(yōu)于1:500空三加密規(guī)范要求的基本定向點殘差的精度指標(biāo)(平面位置中誤差0.13 m，高程中誤差0.11 m)，滿足1：500實景三維模型的生產(chǎn)要求。

2.4 基于實景三維模型測圖

本項目采用EPS軟件進行三維立體測圖，完成了約4.5 km2的1：1 000地形圖地物、地貌要素的采集，如圖2所示。通過與傳統(tǒng)的立體測圖生產(chǎn)相比，它具有以下三方面的優(yōu)勢。

(1)對采集工序而言，實現(xiàn)了裸眼、多視立體測圖，降低了技術(shù)難度，提高了測圖精度。

(2)對編輯工序而言，采集地物要素的三維坐標(biāo)信息的同時，可以賦予地物要素屬性信息，實現(xiàn)了采編入庫一體化，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率，降低了生產(chǎn)成本。

(3)對外業(yè)調(diào)繪和測量工序而言，大幅度減少了

圖2 部分地形圖

野外的工作量，降低了勞動強度。體現(xiàn)在：一是無需外業(yè)量注房檐；二是無需外業(yè)測量樹林、竹林等植被高度；三是一定程度上減少了地理名稱的調(diào)繪、植被地類界和性質(zhì)注記調(diào)繪、房屋樓層和材料調(diào)繪、道路鋪裝材料調(diào)繪等；四是無須實測大比例尺地形圖的高程點。

盡管如此，實景三維立體測圖與傳統(tǒng)立體測圖一樣，對于植被覆蓋區(qū)、高層建筑物遮擋的陰影區(qū)域，仍然無法準(zhǔn)確定位，需要外業(yè)調(diào)繪。而且有一定高度的點狀地物建模效果較差，辨識度低，準(zhǔn)確定位困難，如電力線和通信線的電桿采集，相對傳統(tǒng)立體測圖，此類要素的外業(yè)調(diào)繪工作量增大。

3 大比例尺地形圖精度分析

為了對本次基于實景三維模型1：1 000地形圖測繪的精度進行評價和分析，在測區(qū)內(nèi)選擇了一塊相對平坦區(qū)域?qū)崪y了100個平高點，并展繪在實景三維模型中，剔除了陰影下或疑似有高差(如墻上點)的檢查點后，選擇了23個位置明確的平面點，47個高程點，90條邊長，進行數(shù)學(xué)精度檢測。檢測結(jié)果為：地形圖平面中誤差為0.201 m，高程中誤差為0.095 m，地物點間距中誤差為0.27 m，均優(yōu)于國家規(guī)范要求的1：1 000地形圖的平面位置中誤差(0.5 m)、高程中誤差(0.15 m)、間距中誤差(0.4 m)的精度。具體誤差分布情況如表2～表4所示。

表2 平面位置精度統(tǒng)計

其中，mxy=0.5 m

表3 高程精度統(tǒng)計

其中，mZ=0.15 m(平地)

表4 間距精度統(tǒng)計

其中，mS=0.4 m

由表2統(tǒng)計可知，基于實景三維模型測繪的地形圖完全滿足1：1 000平面精度，所有平面點位較差均在2倍中誤差以內(nèi)，較差小于三分之一中誤差的占比達到了87%，較差小于一倍中誤差的占比達到95.7%，說明平面位置精度優(yōu)良。

由表3統(tǒng)計可知，基于實景三維模型測繪的地形圖滿足平坦地區(qū)的高程精度，所有高程較差均在2倍中誤差以內(nèi)，較差小于三分之一中誤差的占比達到了48.9%，較差小于一倍中誤差的占比達到91.5%，說明高程精度良好。

由表4統(tǒng)計可知，基于實景三維模型測繪的地形圖滿足1:1 000地物點間距精度，所有間距較差均在2倍中誤差以內(nèi)，較差小于二分之一中誤差的占比達到了23.3%，較差小于一倍中誤差的占比達到98.9%，說明間距精度良好。

4 結(jié) 論

通過大重疊的傾斜攝影、高精度的地面控制點，以及使用國際尖端的軟件進行數(shù)據(jù)處理，可以生產(chǎn)出1:500高精度的實景三維模型，與傳統(tǒng)攝影測量立體模型不同，實景三維模型則具有多視前方交會測量高精度特性，其平面和高程測量精度均優(yōu)于傳統(tǒng)立體模型，在此基礎(chǔ)上測繪的大比例尺地形圖的高程精度滿足平坦地區(qū)高程點0.15 m的要求，無需野外實測高程點，從而突破了傳統(tǒng)攝影測量不能滿足大比例尺地形圖平坦地區(qū)高程精度的現(xiàn)狀，無疑對航測大比例地形圖是一次跨越式的進步，極大地減少了外業(yè)測量的工作量，提高了大比例尺地形圖生產(chǎn)效率。