基于Context Capture傾斜攝影空中三角測量技術(shù)優(yōu)化研究

張懂慶 李智 張繁榮

摘 要：針對目前傾斜攝影空中三角測量計算失敗率高的問題，本文總結(jié)了常用的幾種空中三角測量優(yōu)化方案。采用Context Capture軟件，以實際生產(chǎn)項目數(shù)據(jù)為例進行優(yōu)化方案的驗證，通過實驗可知，采用文中提到的五種方案，可以提高空中三角測量計算的成功率，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：Context Capture;傾斜攝影;空中三角測量;空三優(yōu)化

中圖分類號：P23;P217 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.02.049

本文著錄格式：張懂慶，李智，張繁榮.基于Context Capture傾斜攝影空中三角測量技術(shù)優(yōu)化研究[J].軟件，2021，42（02）：159-162

Optimization of Aerial Triangulation Based on Context Capture Inclination Photography

ZHANG Dongqing1，2， LI Zhi1， ZHANG Fanrong3

（1.First Institute Geological and Mineral Exploration of Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Tianshui? Gansu? 741020; 2. Environmental Damage Forensic Institute of Gansu Geology and Mining Ecological Environment Restoration Design and Research Institute， Tianshui? Gansu? 741020;3. Comprehensive census of gansu coal field geological survey team， Tianshui? Gansu? 741000）

【Abstract】：In view of the high failure rate of aerial triangulation of tilt photography， this paper summarizes several commonly used aerial triangulation optimization schemes. The Context Capture software is used to verify the optimization scheme by taking the actual production project data as an example. Through experiments， it can be seen that the four schemes mentioned in this paper can improve the success rate of air triangulation calculation and improve the data production efficiency， which has certain practical value.

【Key words】：Context Capture;oblique photography;aerial triangulation;aerial triangulation optimization

0 引言

傾斜攝影測量是指在飛行平臺上搭載多個影像傳感器，從不同角度采集影像，同時結(jié)合飛行平臺搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取定位定姿數(shù)據(jù)，用于測繪產(chǎn)品的制作[1]。常見的五鏡頭傾斜相機，是由一個下視，四個側(cè)視相機組成，為了使拍攝的影像具有相同的分辨率，下視與側(cè)視相機夾角呈45°，側(cè)視相機焦距為下視相機焦距的倍。傾斜攝影建模是近些年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[2]，隨著“智慧城市”“農(nóng)村房地一體登記確權(quán)”“實景三維中國建設(shè)”等國家大型測繪項目的啟動和開展，傾斜攝影建模得到了前所未有的迅速發(fā)展。采用傾斜攝影方式生產(chǎn)的模型具有精度高、紋理真實、成本低等特點，成為越來越多企事業(yè)單位生產(chǎn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的主要作業(yè)方式。傾斜攝影建模主要流程包括空中三角測量、多視影像密集匹配、TIN構(gòu)建、紋理映射和模型格式轉(zhuǎn)換、輸出等[3]。在建模流程中，空中三角測量直接決定了后續(xù)模型的生產(chǎn)，因此，提高空中三角測量的成功率是非常有必要的[4]。本文根據(jù)日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗，總結(jié)了幾種空中三角測量優(yōu)化的方案，并采用Context Capture自動化建模軟件，以實際生產(chǎn)項目數(shù)據(jù)為例，對各方案的優(yōu)缺點進行比較。通過實驗可知，采用文中提到的方案，可以提高空中三角測量計算的成功率，提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。

1 空中三角測量優(yōu)化方案

1.1 基于部分影像優(yōu)化內(nèi)方位元素

傾斜相機都是在已有相機的基礎(chǔ)上進行改裝的，在運輸和改裝過程中，相機參數(shù)發(fā)生了變化，并未對其進行檢校，因此得到的相機參數(shù)并不精確。改善相機參數(shù)可以精確的還原航攝時的相機內(nèi)方位元素，對提高空中三角測量的成功率有一定的作用[5]。基于部分影像優(yōu)化相機參數(shù)是指通過導(dǎo)入少量的航攝影像，通過軟件自動進行空中三角測量，計算出每個相機的精確內(nèi)方位元素。然后將精確的內(nèi)方位元素用到所有影像上，提高空中三角測量的成功率。

1.2基于第三方軟件優(yōu)化外方位元素

目前市面上三維建模軟件有很多，如Context Capture、PhotoScan、Smart3D2019、PhotoMesh、Mirauge3D等，但是每個軟件都有優(yōu)缺點。如Context Capture空三精度好，模型效果也好，市場占有率高，但是空三通過率低;Smart3D2019空三質(zhì)量很好，模型效果也非常不錯，但是價格昂貴;Mirauge3D空三通過率高，但是精度較差，模型效果一般?；诘谌杰浖?yōu)化外方位元素，就是結(jié)合每個軟件的長處，優(yōu)化生產(chǎn)方案，提高生產(chǎn)效率。如可用Mirauge3D進行第一次空中三角測量計算，將計算結(jié)果含外方位元素導(dǎo)入Context Capture進行第二次空中三角測量，既可以提高空三的通過率，也可以提高空三的精度。

1.3基于下視鏡頭和平臺檢校參數(shù)優(yōu)化側(cè)視鏡頭外方位元素

傾斜相機由于視場角大導(dǎo)致影像邊緣變形嚴(yán)重，分辨率不統(tǒng)一，目前已有的空中三角測量算法并不能很好的對其進行解算。目前常用的光束法區(qū)域網(wǎng)平差是在假設(shè)俯仰角和側(cè)滾角為零的數(shù)學(xué)模型上進行展開的，在數(shù)學(xué)關(guān)系上不能支持大傾角的傾斜攝影數(shù)據(jù)?；谶@兩點原因，可通過對下視鏡頭數(shù)據(jù)進行解算，得到精確的外方位元素，然后結(jié)合平臺檢校參數(shù)，計算得到側(cè)視鏡頭的外方位元素，提高空三通過率。

1.4不斷調(diào)整空三匹配策略

傾斜攝影建模軟件在開發(fā)的過程中，都會根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)編寫不同的代碼來提高空三的成功率。軟件參數(shù)一般都是默認(rèn)的，這種設(shè)置適合絕大多數(shù)場景，但是對部分特殊場景，需要不同的參數(shù)設(shè)置來完成空三的解算。

1.5基于蒙板改變參與運算的影像大小

蒙板是通過兩種顏色來設(shè)置的，對于不需要參與運算的部分，將對應(yīng)的像素顏色填充為黑色;對于參與運算的部分，將對應(yīng)的像素顏色填充為白色。蒙板如果是針對某一文件夾內(nèi)所有的影像，則需將蒙板和影像放于同一文件夾內(nèi)，且命名為mask.tif。然后新建工程，加載影像，蒙板就會起作用，這樣蒙板就設(shè)置完成了。

攝影比例尺是基于傳統(tǒng)的垂直影像來定義的，在地形起伏變化不大的區(qū)域，可以認(rèn)為相機曝光點距離地面距離是一致的，這樣獲得的影像分辨率也可以認(rèn)為是相同的。影像分辨率和航高之間的關(guān)系式見公式（1）：

GSD=a*h/f? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

結(jié)合傾斜相機主光軸旋轉(zhuǎn)角度，可以得出傾斜影像中心點、近地點與遠地點的大致分辨率。設(shè)傾斜影像中心點、近點和遠點分辨率分別為GSDmid、GSDtop、GSDbotton，計算公式如下（2）：

GSDmid=

GSDtop=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

GSDbottom=

式中，a為CCD單像元大小;h為相對高度;f為相機焦距;αγ為傾角;βγ為視場角的一半。

通過上述公式可以看出，GSD的大小除飛行高度、焦距、像素大小之外，還和相機的傾角有關(guān)。傾角越大，其遠點的分辨率越低，近點、遠點GSD差異也就越大。在影像的邊緣，由于變形大，分辨率差異大，導(dǎo)致空三解算困難，成功率低，因此如果能夠改變影像像幅大小，或者改變有效參與運算的影像范圍，就可以提高影像的空三計算成功率，而且可以提高空三精度。

2項目驗證

2.1 Context Capture軟件介紹

Context Capture是美國Bentley公司的一款軟件，也是目前市場占有率最高的自動化建模軟件。該軟件只需導(dǎo)入影像或者視頻數(shù)據(jù)，就可以自動完成空三的計算及模型的生產(chǎn)，效率非常高。軟件主要有三部分組成，分別為Master、Engine和Viewer。Master是主控臺，提供人機交互的界面，顯示任務(wù)的進程;Engine為運算模塊，所有的計算任務(wù)都由Engine來完成;Viewer是模型展示的平臺，通過Viewer可以查看模型的效果，并在模型上進行坐標(biāo)提取、距離量算、面積和土方量計算等。

2.2實驗數(shù)據(jù)介紹

本次實驗數(shù)據(jù)，來源于河湖確權(quán)項目，測區(qū)整體呈帶狀，寬約800m，長約30km，高差約100m，采用旋翼機搭載五鏡頭相機航攝，飛行10架次，地面分辨率3cm，航飛影像62545張，采集像控點35個。

2.3采用各方案進行空三解算優(yōu)化

在利用Context Capture軟件進行常規(guī)數(shù)據(jù)處理時，空中三角測量計算失敗。因此采取以下幾種方案對空中三角測量任務(wù)進行優(yōu)化，取得了很好的結(jié)果。

（1）基于部分影像優(yōu)化內(nèi)方位元素。在對10架次影像整體進行空三加密時，空三任務(wù)計算直接失敗，通過對失敗的原因分析發(fā)現(xiàn)是內(nèi)存溢出導(dǎo)致的。按照像控點的分布，對10架次影像進行分塊計算，分塊的原則是至少包含3個像控點，這樣才能保證接邊精度，總共分成了8塊。在分塊進行空三加密時，空三結(jié)果出現(xiàn)了分層、呈弧形等現(xiàn)象，通過對計算結(jié)果查看發(fā)現(xiàn)，相機報告中給出的相機焦距和軟件計算得到的焦距相差較大，于是開始對相機進行自檢。選取5鏡頭相機各100張影像整體進行空三計算，得到精確的相機焦距、像主點偏移值，然后將得到的參數(shù)導(dǎo)入到之前的分塊工程中，空三計算任務(wù)一次性通過，空三質(zhì)量好，無分層，空三質(zhì)量報告中重投影中誤差介于0.51到0.68個像之間素。但是在后期數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)，接邊處精度較差，數(shù)據(jù)處理麻煩，需要手動添加像點和補測像控點來完成接邊精度的控制，費時費力，成本較高。

（2）基于第三方軟件優(yōu)化內(nèi)外方位元素。利用Mirauge3D對10架次影像整體進行空中三角測量，空三一次性通過，空三通過率很高。但是通過空三報告查看到重投影中誤差為1.2個像素，超過了行業(yè)對精度的要求，空三成果不可以直接使用。通過Mirauge3D將10架次影像的外方位元素全部計算得到，通過導(dǎo)出可交換格式的xml文件，將得到的外方位元素引入到Context Capture軟件中，再次進行常規(guī)空三加密，空三一次性完成。查看空三報告中的重投影中誤差為0.54個像素，精度符合要求，成果質(zhì)量好。

（3）基于下視鏡頭和平臺檢校參數(shù)優(yōu)化側(cè)視鏡頭外方位元素。將10架次影像分成6部分，每部分影像數(shù)一萬多，5鏡頭數(shù)據(jù)空三加密失敗，在不改變空三設(shè)置參數(shù)的情況下，刪除側(cè)視鏡頭影像，只提交下視鏡頭影像進行空三加密，成果可用?；谄脚_檢校參數(shù)，五鏡頭安裝之間的關(guān)系，結(jié)合成都睿鉑研發(fā)的POS解算軟件，以下視鏡頭外方位元素為標(biāo)準(zhǔn)，解算側(cè)視鏡頭的外方位元素，使每個鏡頭都有獨立的POS數(shù)據(jù)，將解算成果導(dǎo)入Context Capture軟件中再次進行空三計算，成果未分層，質(zhì)量報告中重投影中誤差為0.52個像素，精度合格，空三質(zhì)量好。

（4）不斷調(diào)整空三匹配策略。通過更改空三匹配策略可以獲得合格的空三成果。利用默認(rèn)設(shè)置在對一萬多張影像進行空三解算時，空三分層不可用，然后將關(guān)鍵點密度由“常規(guī)”改為“高”，影像組件構(gòu)造模式和光學(xué)屬性評估模式由“一步”改為“多步”，傾斜和縱橫比由“保持”改為“平差調(diào)整”。設(shè)置完以上參數(shù)后，再次提交空三任務(wù)進行數(shù)據(jù)解算，成果未分層，也未出現(xiàn)弧形，空三質(zhì)量報告中重投影中誤差為0.61個像素，精度合格。

（5）基于蒙板改變參與運算的影像大小。對實驗數(shù)據(jù)進行分塊，并選取10250張影像進行空三解算。首先按照常規(guī)參數(shù)設(shè)置空三選項，輸入（1）中計算得到的內(nèi)方位元素進行空三解算，空三加密完成，通過人機交互，空三無明顯分層、彎曲，成果可用。

在本次實驗中，對4組側(cè)視鏡頭影像按照每邊10%的比例進行設(shè)置蒙板，對下視鏡頭不處理。新建工程，導(dǎo)入5組鏡頭影像，并按照常規(guī)參數(shù)設(shè)置空三選項，輸入（1）中計算得到的內(nèi)方位元素進行空三解算，待空三加密完成后，通過人機交互，空三無明顯分層、彎曲，成果可用。

對兩次空三的相機標(biāo)定成功數(shù)、運算時長、重投影中誤差、加密點中誤差等各項參數(shù)進行統(tǒng)計，詳見表1。

同一張影像在兩種空三加密方式下的像點分布圖見圖1所示（左圖無蒙板，右圖有蒙板）。

通過對上表和上圖的分析可以看出，通過設(shè)置蒙板，不但可以提高空三的運算效率，而且相機標(biāo)定成功數(shù)也會提高，減少匹配點個數(shù)，提高匹配點精度，有助于空三更好地解算。

3結(jié)語

傾斜攝影是近些年迅速發(fā)展的一項高新技術(shù)，但是空中三角測量計算失敗率高限制著該技術(shù)的發(fā)展。本文通過實際生產(chǎn)經(jīng)驗，總結(jié)了五種空三優(yōu)化的方案，并用實驗數(shù)據(jù)對五種方案進行了驗證，結(jié)果表明，采用本文提到的五種優(yōu)化方案，可以有效提高空三解算的成功率，有助于后續(xù)模型的生產(chǎn)，提高了數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，具有一定的實用價值。

參考文獻

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