ContextCapture軟件建立地表實(shí)景模型的應(yīng)用研究

羅大偉，梁 良

（云南錫業(yè)集團(tuán)大屯錫礦，云南 紅河 661021）

由于礦區(qū)地理位置地貌多變、生活區(qū)建筑坐落凌亂、工業(yè)園區(qū)廠房規(guī)劃復(fù)雜，人員難以進(jìn)行全方位觀測，如何對礦區(qū)地表的地理地貌、生活建筑群、采礦選礦工業(yè)廠房等進(jìn)行量化評判，一直困擾著工程技術(shù)人員。通過建立地表實(shí)景三維模型，有效的解決了礦區(qū)地形圖修、補(bǔ)測問題，同時(shí)也為數(shù)字化礦山建設(shè)提供了基礎(chǔ)性的測量成果資料。

1 軟件

實(shí)景建模軟件ContextCapture是Bentley公司于2015年收購的法國Acute3D公司的產(chǎn)品，Bentley基于全球基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供BIM解決方案的定位，需要一款能夠通過掃描、拍攝等手段獲取現(xiàn)實(shí)模式的應(yīng)用軟件，解決基礎(chǔ)設(shè)施過程中，需要將現(xiàn)實(shí)的模型轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娮幽Ｐ汀钡膽?yīng)用需求。既有大范圍的測繪、地理規(guī)劃項(xiàng)目，又有區(qū)域類的建筑、工廠項(xiàng)目，通過它可以導(dǎo)入照片、視頻等數(shù)據(jù)，進(jìn)行空三計(jì)算，根據(jù)計(jì)算量劃分為不同的區(qū)域，形成不同的任務(wù)。

2 ContextCapture建模軟件的應(yīng)用

2.1 照片處理

（1）整理照片，檢查照片是否與POS數(shù)據(jù)攝取點(diǎn)數(shù)量對應(yīng)，如不對應(yīng)，則以POS數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，可刪除或復(fù)制添加處在航帶中間的照片，如不對應(yīng)的數(shù)量較多，則應(yīng)重新拍攝。

（2）對POS數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行處理，把目錄、時(shí)間等內(nèi)容刪除，只保留編號、經(jīng)緯度、航高信息。

（3）將POS數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度、航高信息通過相應(yīng)的軟件附給所有照片，完成后則每張照片應(yīng)具有獨(dú)立坐標(biāo)信息，可在照片的屬性中檢查。導(dǎo)入到ContextCapture軟件中，并用“Check image fi les..”功能進(jìn)行照片數(shù)據(jù)完整性檢查，如有損壞的照片，則應(yīng)刪除、復(fù)制，重新附POS數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入檢查。

（4）對相機(jī)的型號、感應(yīng)器尺寸、鏡頭焦距等參數(shù)檢測，不同相機(jī)有不同參數(shù)，可進(jìn)行修改添加。

2.2 空中三角測量運(yùn)算

2.2.1 空中三角測量概念

空中三角測量是立體攝影測量中，根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的高程和平面位置的測量方法，其主要目的是為缺少野外控制點(diǎn)的地區(qū)測圖提供絕對定向的控制點(diǎn)?？罩腥菧y量一般分為模擬法、解析法、航帶法、獨(dú)立模型法及光線束法。

2.2.2 航帶法原理及運(yùn)算

因我礦區(qū)所處地形地勢采用的是航帶法，其原理是通過計(jì)算相對定向元素和模型點(diǎn)坐標(biāo)建立單個模型，利用相鄰模型間公共連接點(diǎn)進(jìn)行模型連接運(yùn)算，以建立比例尺統(tǒng)一的航帶立體模型。測量運(yùn)算主要在于自動、準(zhǔn)確地估算每幅輸入影像的位置、角元素和相機(jī)屬性（焦距、主點(diǎn)、鏡頭畸變），空中三角測量計(jì)算從輸入?yún)^(qū)塊開始，然后根據(jù)選定參數(shù)生成新的完整區(qū)塊或平差區(qū)塊，整個運(yùn)算過程由軟件自動完成。

2.2.3 運(yùn)算結(jié)果

運(yùn)算完成后，軟件會給出影像區(qū)塊三維建立許可，信息完整則可進(jìn)行下一步操作。如果運(yùn)算時(shí)出現(xiàn)軟件報(bào)錯，其主要原因有，一是相機(jī)型號、感應(yīng)器尺寸、鏡頭焦距等自動識別錯誤，二是像控點(diǎn)格式錯誤。在contextcapture center master軟件實(shí)踐研究中，運(yùn)算兩次空中三角測量計(jì)算所得結(jié)果比只運(yùn)算一次區(qū)塊密集度大得多。第一次運(yùn)算只使用照片，不添加像控點(diǎn)，其目的是為了軟件能適應(yīng)相機(jī)參數(shù)，運(yùn)算結(jié)果出來后再添加像控點(diǎn)運(yùn)算第二次，不僅軟件出錯率可以大大降低，3D視圖中區(qū)塊下墜問題也能得到很好的修復(fù)。

2.3 像控處理

2.3.1 像控格式

將野外采集的像控點(diǎn)坐標(biāo)信息整理到文本文檔，格式為點(diǎn)號、縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)、高程，以空格為分隔符。像控文件名、點(diǎn)名、分隔符均不可帶有中文及中文狀態(tài)下的輸入。在軟件中選擇需要導(dǎo)入的像控文件，導(dǎo)入后會顯示出每個像控點(diǎn)的編號。

2.3.2 像控點(diǎn)定位

因照片數(shù)量多，像控點(diǎn)稀少、目標(biāo)不明顯，如果直接在單張照片中尋找像控點(diǎn)，難度非常大，耗費(fèi)時(shí)間。在Contextcapture Center Master軟件應(yīng)用實(shí)踐中，確定了可通過軟件3D視圖中進(jìn)行像控點(diǎn)的快速定位，其方法為在3D視圖俯視狀態(tài)下，首先確定需要查找的像控點(diǎn)，將光標(biāo)靠近像控點(diǎn)標(biāo)示圈，即可顯示出像控點(diǎn)號。再點(diǎn)擊最接近像控點(diǎn)的照片攝取點(diǎn)，則可快速確定像控點(diǎn)所在區(qū)域的照片。返回到照片列表，會直接定位在3D視圖點(diǎn)擊的攝取點(diǎn)照片，同時(shí)有部分照片右上角出現(xiàn)黃色小問號作為標(biāo)記，被直接定位的照片會在像控點(diǎn)位附近出現(xiàn)一個圓圈標(biāo)識。如圖1所示。

2.3.3 刺像控點(diǎn)

在像控列表中確定像控點(diǎn)編號，選擇右上角帶有黃色小問號的照片，逐一刺點(diǎn)。在刺點(diǎn)時(shí)應(yīng)挑像控點(diǎn)號、像控標(biāo)識顯示清晰、一目了然的相片，對于存在模糊、變形、扭曲、曝光變色等問題的照片片不可以進(jìn)行像控刺點(diǎn)，同時(shí)要保證像控點(diǎn)位上方無電線、樹枝等任何遮擋物。刺點(diǎn)一般盡量分布在多條航帶的照片上，每條中心航帶像控刺點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不少于9張，刺20張相片左右最為合適，若是測區(qū)邊緣點(diǎn)或者某些照片攝取點(diǎn)較少可以低于此標(biāo)準(zhǔn)，一般不低于3張，刺8張相片左右最為合適。

2.3.4 像控精度

全部像控添加后，再次進(jìn)行空中三角測量運(yùn)算，完成后對像控精度檢查?？杖窨攸c(diǎn)的誤差會影響密集點(diǎn)云的精度，從而影響整個模型精度，所以像控點(diǎn)重投影誤差的均方根是反映建模精度的重要指標(biāo)之一。通過查看空三報(bào)告，可確定重投影誤差的均方根是否滿足測圖要求。均方根值越小，建模的精度相對越高，如均方根值大，通不過報(bào)告驗(yàn)證，可能因?yàn)橄窨卮厅c(diǎn)錯誤或者參與計(jì)算的像控點(diǎn)數(shù)量不夠，應(yīng)該重新刺點(diǎn)運(yùn)算。

2.4 建模

2.4.1 空間構(gòu)架設(shè)置

完成空中三角測量運(yùn)算后，進(jìn)入建模階段，需要完成空間構(gòu)架設(shè)置，根據(jù)所處地區(qū)及需要設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，如CGCS2000坐標(biāo)系，中央子午線為105°；為后期的多個模型的拼接，給定一個固定的坐標(biāo)原點(diǎn)，可以為模型區(qū)域內(nèi)的任一坐標(biāo)，單位精確到米即可；確定切塊方式及大小，根據(jù)計(jì)算機(jī)配置調(diào)整切塊大小，瓦片的大小與瓦片一個任務(wù)的預(yù)期最大運(yùn)行內(nèi)存使用量密切相關(guān)，切塊過大會導(dǎo)致模型生成過慢，一般設(shè)置為50米左右，為了方便后期修補(bǔ)模型，將模型切塊方式定為規(guī)則平面格網(wǎng)切塊，其目的是為了沿XY平面劃分為正方的瓦片，方便以后更直觀的刪除無效瓦片。

2.4.2 范圍約束

由于航攝是根據(jù)地形范圍來設(shè)定的飛行區(qū)域，為了更直接高效完成航攝任務(wù)，飛行區(qū)域不規(guī)則，而規(guī)則平面格網(wǎng)切塊又不能沿航帶準(zhǔn)確切塊，如果切塊少會造成部分模型損失，切塊多又會生產(chǎn)出航帶外的失真模型。所以為了方便多個模型的拼接，防止模型拼接后出現(xiàn)模糊、變形等失真情況，可在空間構(gòu)架中進(jìn)行建模區(qū)域的約束，方法是將POS數(shù)據(jù)整理后導(dǎo)入“91衛(wèi)圖助手”軟件，用多邊形工具圈定出航攝點(diǎn)的區(qū)域范圍，則可得到不規(guī)則的航攝有效范圍線。從“91衛(wèi)圖助手”軟件將范圍線以矢量文件導(dǎo)出，在從contextcapture軟件的空間構(gòu)架設(shè)置中把范圍線矢量文件導(dǎo)入進(jìn)行建模范圍約束，范圍約束減少了冗余數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)效率也大幅提高。相鄰模型拼接時(shí)可根據(jù)前面定好的范圍線進(jìn)行重合圈定約束，拼接出的模型就不會存在模糊、變形等失真情況。導(dǎo)入范圍后，如下圖紅色框內(nèi)白色航線外黃色區(qū)域位置，均被剔除，只生產(chǎn)測區(qū)范圍的模型。

2.4.3 產(chǎn)品格式

提交生產(chǎn)前，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要選擇產(chǎn)品的格式，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、正射影像、實(shí)景三維模型等。

圖2 在contextcapture軟件導(dǎo)出矢量文件

4 水面空洞修補(bǔ)

由于水面的高反射現(xiàn)象，相機(jī)在獲取水面信息的時(shí)候被“致盲”，使得航攝區(qū)域的信息不準(zhǔn)確，生產(chǎn)出的模型中出現(xiàn)水面“破洞”現(xiàn)象。如下圖所示。

圖3 航攝區(qū)域水面“破洞”圖

為解決水面出現(xiàn)“破洞”的問題，使模型更完善，可給定一個模型（白膜）水面的絕對高度，利用相關(guān)地圖軟件，選擇水面范圍后，提取坐標(biāo)信息，重新在空三后Reconstruction項(xiàng)目中添加3D多邊形約束，第二次產(chǎn)出的模型便可以生成水面，填補(bǔ)空洞。

5 成果精度分析

實(shí)景三維模型生成后對模型精度進(jìn)行分析，除了布設(shè)的像控點(diǎn)以外，還采集了一些地物特征點(diǎn)（如花臺拐角、房角底部、井蓋中等）的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較。平面點(diǎn)位差值最大為±0.150m；高程差值最大為±0.20m。

6 結(jié)論

ContextCapture軟件可以根據(jù)照片信息較好完成地表三維實(shí)景模型建立，操作簡便，運(yùn)算出錯率低，并能融入其它地圖軟件信息，對模型進(jìn)行補(bǔ)充完善。應(yīng)用ContextCapture軟件建立的模型精度高，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。