空地融合技術(shù)在地質(zhì)精細(xì)建模中的應(yīng)用

周志彬，謝文軍

（1.正元地理信息集團(tuán)股份有限公司，北京 101300；2.深圳市勘察測(cè)繪院（集團(tuán)）有限公司，廣東 深圳 518028）

近年來(lái)攝影測(cè)量設(shè)備與影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得傾斜攝影測(cè)量和實(shí)景三維建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪及其相關(guān)行業(yè)，并取得了良好的效果。該技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭云平臺(tái)相機(jī)，對(duì)建模目標(biāo)物體進(jìn)行全方位掃描拍攝；通過(guò)外業(yè)地表控制點(diǎn)布設(shè)與實(shí)測(cè)，內(nèi)業(yè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空三加密解算與紋理提取，可快速構(gòu)建目標(biāo)物的三維實(shí)景模型。

雖然傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能快速采集影像數(shù)據(jù)和三維實(shí)景建模，但在構(gòu)建精細(xì)化模型時(shí)仍存在諸多問(wèn)題，如傾斜攝影通過(guò)空中相機(jī)對(duì)地觀測(cè)，若建筑物有遮擋，模型則會(huì)出現(xiàn)拉花現(xiàn)象；若空中影像重復(fù)率較低，模型則會(huì)出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致空三加密失敗和無(wú)法建模。為了提取目標(biāo)物體的高分辨率三維模型，許多學(xué)者做了相關(guān)深入研究，取得了豐碩的成果，如李敏珍[1]、王延亮[2]等利用LiDAR技術(shù)對(duì)部分古建筑進(jìn)行了全方位立體點(diǎn)云采集，并運(yùn)用點(diǎn)云處理平臺(tái)構(gòu)建了目標(biāo)物古建筑的精細(xì)三維模型，獲得了較好的建模效果；林蘇靖[3]、王慶棟[4]等利用專(zhuān)業(yè)室內(nèi)三維建模平臺(tái)3ds Max對(duì)建筑物進(jìn)行了精細(xì)建模；趙紫軒[5]、韓東亮[6]等利用近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行了近景貼近攝影測(cè)量，針對(duì)小范圍內(nèi)的建筑房屋和礦區(qū)進(jìn)行了貼近拍攝，精細(xì)構(gòu)建了目標(biāo)物的三維模型。LiDAR技術(shù)可提高目標(biāo)物模型的高度信息精度，點(diǎn)云采集效率較高，但缺乏光譜信息，無(wú)法構(gòu)建實(shí)景三維模型；3ds Max技術(shù)是針對(duì)某一特定物體的精細(xì)建模，人機(jī)交互工作量非常大、效率較低；近景貼近攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)采集范圍不大，無(wú)法對(duì)較大區(qū)域進(jìn)行三維建模；因此，針對(duì)精細(xì)化三維建模的方法，目前尚存紋理丟失、機(jī)載LiDAR成本高效率低、人機(jī)交互工作量大、建模范圍限制等多種瓶頸。本文結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量和地質(zhì)解譯項(xiàng)目，利用傾斜攝影測(cè)量空地融合技術(shù)，詳細(xì)探討了精細(xì)化實(shí)景建模的方法，并取得了良好的測(cè)試效果。

1 空地融合技術(shù)體系

傾斜攝影測(cè)量空地融合無(wú)需后期內(nèi)業(yè)單體化軟件參與建模，首先進(jìn)行室內(nèi)航飛設(shè)計(jì)，根據(jù)任務(wù)航測(cè)范圍，利用地面站軟件規(guī)劃航飛線路、范圍、航高以及航片重疊率等參數(shù)；然后進(jìn)行航飛，該階段也是本文重點(diǎn)闡述的內(nèi)容，包括空中上層正攝攝影測(cè)量、空中中層傾斜攝影測(cè)量以及地面手動(dòng)補(bǔ)拍環(huán)節(jié)；最后通過(guò)空中、地面3層高低空航拍數(shù)據(jù)的融合技術(shù)，達(dá)到空地影像的一體化處理，且后期無(wú)需人工修模工作。該方法可大大提高傾斜攝影測(cè)量三維建模的生成效率。傾斜攝影測(cè)量空地融合的技術(shù)路線為：①航測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)；②內(nèi)業(yè)空三加密，基于多視立體視覺(jué)算法（PMVS）和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)算法（SFM）自動(dòng)匹配連接點(diǎn)；③三維模型構(gòu)建、紋理映射；④精度檢驗(yàn)，如圖1所示。

傾斜攝影測(cè)量三維重建的核心技術(shù)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密解算、影像密集匹配等[7-8]，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是精密解算后處理POS數(shù)據(jù)，對(duì)地面站、控制站與飛機(jī)流動(dòng)站三方POS數(shù)據(jù)文件進(jìn)行合并，統(tǒng)一處理形成最終的后差分精密POS數(shù)據(jù)，并進(jìn)行POS數(shù)據(jù)與影像的一一對(duì)應(yīng)處理；空三加密解算是核心技術(shù)中的要點(diǎn)，依據(jù)相片上量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)，以少量地面控制點(diǎn)為平差條件，求解影像定向以及地面點(diǎn)的加密問(wèn)題[9-10]。

圖1 傾斜攝影測(cè)量空地融合技術(shù)路線

2 空地融合精細(xì)化建模

2.1 精細(xì)化建模方法

借助正元地理信息集團(tuán)股份有限公司在甘肅某地的地質(zhì)斷層航測(cè)解譯項(xiàng)目，本文重點(diǎn)闡述了傾斜攝影測(cè)量空地融合技術(shù)在地質(zhì)精細(xì)化建模中的應(yīng)用。該測(cè)區(qū)穿越榆木山東緣斷裂，航飛面積約為0.5 km2；采用大疆精靈4 Pro消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，搭載云臺(tái)相機(jī)的焦距為8.8 mm，等效焦距為24 mm，2 000萬(wàn)像素；航向與旁向重疊率分別設(shè)置為80%和75%；相對(duì)航高分為3層，這也是本文空地融合的關(guān)鍵所在。

1）空中上層正攝航拍。傾斜攝影測(cè)量三維建模要求影像間滿足一定的重疊度，但又不可為了重疊度而進(jìn)行無(wú)休止的多層任意航拍，過(guò)多的航拍勢(shì)必導(dǎo)致影像同名點(diǎn)自動(dòng)匹配錯(cuò)誤，甚至空三加密解算的失敗，因此精細(xì)化建模只需航拍3～4層即可?？罩猩蠈诱龜z航拍的目的為：①對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維建模，以提高建模效率；②統(tǒng)領(lǐng)銜接中層各分散區(qū)塊次重點(diǎn)建模區(qū)域的航拍，基于上層影像，可在低空進(jìn)行離散區(qū)塊化分別補(bǔ)拍，從而提高次重點(diǎn)區(qū)域的拍攝效率。

2）空中中層傾斜攝影航拍。在上述大范圍航拍后，即可對(duì)測(cè)區(qū)中次重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行低空高分辨率傾斜攝影測(cè)量，但該層飛行范圍不可超出上層正攝區(qū)域，否則后期內(nèi)業(yè)需人工介入，手動(dòng)添加連接點(diǎn)。本次航高與第一次航高存在一定的比例關(guān)系，經(jīng)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，低空傾斜攝影測(cè)量航高最好是上層正攝航高的1/3。該層的作用是承上啟下，連接上層和地面手動(dòng)補(bǔ)拍影像。由于相機(jī)在拍攝過(guò)程中，為了追求高分辨率，中間航高發(fā)生了變化，相機(jī)焦距也隨之改變；而在后期建模過(guò)程中，程序自動(dòng)識(shí)別影像焦距，若二者焦距相差倍數(shù)過(guò)大，則極可能導(dǎo)致空三加密解算的失敗，因此在空地影像數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，為了關(guān)聯(lián)上層和地面手動(dòng)補(bǔ)拍影像的焦距，該中間層的傾斜攝影不可缺少。本文中上層正攝航高設(shè)置為80 m，因此中層航高可設(shè)置為25 m。

3）地面手動(dòng)補(bǔ)拍。20 m航高在傾斜攝影測(cè)量中已屬于低空攝影測(cè)量，其拍攝影像分辨率可達(dá)1.0 cm，但為了更清晰地解譯地質(zhì)參數(shù)，仍需在地面進(jìn)行手動(dòng)拍攝，以獲取高清紋理結(jié)構(gòu)信息。與空中中層傾斜攝影要求一致，地面手動(dòng)補(bǔ)拍的范圍需在中層傾斜攝影覆蓋區(qū)域內(nèi)，若為手機(jī)補(bǔ)拍，則在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，需手動(dòng)添加連接點(diǎn)，以確保將其與上層航拍影像進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

后期的空三加密解算結(jié)果如圖2所示，圖2a中黃色相機(jī)是通過(guò)空三加密且參與到計(jì)算的影像，紅色相機(jī)為空三加密未使用的數(shù)據(jù)，未使用的影像是第三層手動(dòng)補(bǔ)拍的相片。分析其原因?yàn)椋浩渖峡諞](méi)有覆蓋第二層傾斜攝影數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致第一層正攝與第三層地面手動(dòng)補(bǔ)拍相片的焦距差異過(guò)大，不能完成同名特征點(diǎn)匹配。圖2b中遠(yuǎn)處地面手動(dòng)補(bǔ)拍的影像則完全參與到空三加密解算中，由于其有中間層過(guò)渡，使上、中、下3層數(shù)據(jù)的焦距依次關(guān)聯(lián)，程序能自動(dòng)識(shí)別同名點(diǎn)。

圖2 空三加密解算成果

2.2 精細(xì)化建模示例

通過(guò)空三加密解算、三角網(wǎng)構(gòu)面、紋理映射后，可構(gòu)建飛行測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的三維實(shí)景模型，如圖3所示。本次精細(xì)化建模測(cè)試是通過(guò)對(duì)比測(cè)區(qū)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)完成的，一個(gè)經(jīng)過(guò)上、中、下3層航拍和補(bǔ)拍，另一個(gè)只完成上層正攝航拍和地面手動(dòng)補(bǔ)拍。從空三加密解算結(jié)果來(lái)看，中間傾斜攝影層未參與的水準(zhǔn)點(diǎn)，其地面手動(dòng)補(bǔ)拍影像同時(shí)作廢，只用到了上層正攝航拍數(shù)據(jù)，建模結(jié)果如圖4a、4b所示，該水準(zhǔn)點(diǎn)三維模型顯示模糊、分辨率低、質(zhì)量較差；而經(jīng)過(guò)上、中、下3層拍攝的水準(zhǔn)點(diǎn)，三維模型清晰，建模精度高，點(diǎn)位附近雜物、地表紋路以及觀測(cè)標(biāo)志表面紋理清晰可見(jiàn)，如圖4c、4d所示。

經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，該方法均獲得了很好的測(cè)試結(jié)果。超低空航攝與精細(xì)化建模的最大優(yōu)勢(shì)在于：只需在外業(yè)飛行工作中，通過(guò)航飛技巧控制，即可確保內(nèi)業(yè)空三加密解算較高的通過(guò)率以及精細(xì)化三維實(shí)景模型的構(gòu)建，后期無(wú)需格式轉(zhuǎn)換以及3ds Max、DP-Modeler、SVS等修模處理。追其原理，不難發(fā)現(xiàn)，傾斜攝影測(cè)量如同傳統(tǒng)測(cè)量手段一樣，雖然內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理會(huì)有一定的精度損失，但最終成果質(zhì)量還是由外業(yè)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)決定的。

基于傾斜攝影測(cè)量空地融合與精細(xì)化建模技術(shù)，本文構(gòu)建了甘肅省榆木山東緣斷裂一處場(chǎng)地的高分辨率三維模型，并利用實(shí)景模型解譯了該斷層微地貌的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)，如圖5所示。

圖3 測(cè)試場(chǎng)地構(gòu)建三維實(shí)景模型

圖4 水準(zhǔn)點(diǎn)精細(xì)化建模對(duì)比效果

圖5 榆木山東緣斷裂場(chǎng)地三維實(shí)景模型

3 精度分析

為了探討該三維模型的實(shí)際精度，本文前期布設(shè)了4個(gè)定向點(diǎn)與18個(gè)檢查點(diǎn)。通過(guò)將外業(yè)實(shí)測(cè)定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)與三維模型中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位進(jìn)行一階差分處理和中誤差計(jì)算，最終獲取定向點(diǎn)與檢查點(diǎn)的精度結(jié)果如表1、2所示，可以看出，點(diǎn)位平面中誤差與高程中誤差均滿足相關(guān)精度要求。

表1 空三光束法區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果/m

表2 地物檢查點(diǎn)平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)表/cm

本文對(duì)線劃地形圖的地物點(diǎn)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，地形圖中基本等高距為1 m，求解得到比例尺為1∶500的DLG中，平面中誤差在圖上的距離為0.122 mm，小于規(guī)范要求的圖上0.6 mm（一般地區(qū)平坦地）；高程中誤差為0.086 m，小于0.333 m（1/3基本等高距）。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)傾斜攝影測(cè)量空地融合技術(shù)構(gòu)建了精細(xì)地質(zhì)三維實(shí)景模型，并從中獲取了利用空地融合關(guān)鍵技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)：①為了確?？盏赜跋駭?shù)據(jù)能很好的融合，要求從3個(gè)不同航高進(jìn)行航拍，且中層航高是上層航高的1/4～1/3，地面手動(dòng)補(bǔ)拍是中層航高的1/4；②上層正攝航拍采集范圍應(yīng)盡可能放大，將測(cè)區(qū)外擴(kuò)范圍包含在內(nèi)，中層為傾斜攝影測(cè)量，其采集區(qū)域不可超出上層范圍，而地面手動(dòng)補(bǔ)拍區(qū)域又在中層傾斜攝影范圍之內(nèi)，若沒(méi)有中層航拍環(huán)節(jié)，則需在內(nèi)業(yè)空三加密解算前手動(dòng)添加多個(gè)連接點(diǎn)； ③為了提高空三加密解算的成功率，可檢查未參與計(jì)算影像的傳感器尺寸與相機(jī)焦距，一般情況下是錯(cuò)誤的，將其改正即可，再重新提交空三加密計(jì)算；也可從Engine中查詢(xún)空三加密解算失敗的原因，將其對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置更改后再重新提交，并將POS或控制點(diǎn)精度調(diào)到最低；若因空三分層而失敗，則應(yīng)在此空三加密的基礎(chǔ)上將自動(dòng)計(jì)算的外方位元素依次按鏡頭編號(hào)導(dǎo)出，再依次導(dǎo)入空三加密前的工程中去，最后重新提交空三加密解算即可。