基于傾斜攝影的TDOM制作及其在水利工程中的應(yīng)用探討

談 政，朱小歡，周勝潔，邸國(guó)輝

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)同時(shí)具有影像、坐標(biāo)和幾何特征，具有精度高、信息全、形象直觀(guān)等特點(diǎn)，是構(gòu)建空間數(shù)據(jù)框架的重要組成依據(jù)，是測(cè)繪產(chǎn)品的重要組成部分，在工程建設(shè)規(guī)劃、災(zāi)害防治、水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估、土地利用調(diào)查等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

傳統(tǒng)正射影像圖的制作主要是通過(guò)中心投影影像數(shù)字微分糾正方法得到的，在糾正過(guò)程中，具有一定高度的地面物體會(huì)相互遮擋，無(wú)法解決投影差問(wèn)題，容易產(chǎn)生遮蔽現(xiàn)象；在影像圖拼接過(guò)程中，圖幅間及航帶間接邊還經(jīng)常出現(xiàn)建筑物錯(cuò)位、變形等問(wèn)題，這使得正射影像失去了“正射投影”的意義。另外，采用DOM拼接線(xiàn)編輯方法處理錯(cuò)位、變形等問(wèn)題，效率較低，質(zhì)量也難以保證[1]。

傾斜攝影生產(chǎn)真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM)的主要方法是利用傾斜攝影采集的高密集點(diǎn)云構(gòu)建數(shù)字表面模型，再通過(guò)數(shù)字微分糾正方法改正中心投影影像的幾何變形，對(duì)整體區(qū)域進(jìn)行影像重采樣，生成高質(zhì)量的真正射影像。此方法可解決投影差問(wèn)題，在影像圖拼接過(guò)程中能避免出現(xiàn)建筑物錯(cuò)位、變形等問(wèn)題。針對(duì)建筑物影像真正射糾正后可能存在的“漏洞”，還能利用傾斜影像進(jìn)行修補(bǔ)，以保證TDOM的完整性。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 投影差控制

投影差是地形起伏引起的像點(diǎn)位移，與相機(jī)焦距、拍攝航高、地物高低及地形起伏有密切關(guān)系。

通常情況下，地面點(diǎn)相對(duì)高度越高、成像點(diǎn)距離像主點(diǎn)越遠(yuǎn)，投影差越大，反之則越小。點(diǎn)的相對(duì)高度是自然屬性，無(wú)法人為控制，在必要情況下，可以增加影像重疊度來(lái)盡量減小投影差[2]，如圖1所示。

圖1 影像重疊示意圖

在TDOM實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用數(shù)字表面模型(Digital Surface Model，DSM)來(lái)控制投影差，通常在TDOM生產(chǎn)前規(guī)定Δl的最大值，即規(guī)定TDOM平面中誤差的精度指標(biāo)。由式(1)可得：

(1)

式中，d—成像點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離，mm；f—焦距，mm；Δhmax—最大相對(duì)高度，m；Δlmax—最大投影差，m。

最遠(yuǎn)點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離可表示為

(2)

式中，A1、A2—像幅尺寸(長(zhǎng)、寬)；C1、C2—航向、旁向重疊度。

文章采用的CW- 10C無(wú)人機(jī)正攝鏡頭焦距為20mm，其等效焦距為30mm，設(shè)定航向、旁向重疊度分別為80%、70%，則最遠(yuǎn)點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離為5.88mm，若要求投影差不大于0.6m，則相應(yīng)的DSM高程誤差應(yīng)不大于3.06m；設(shè)定航向、旁向重疊度分別為60%、30%，則最遠(yuǎn)點(diǎn)到像主點(diǎn)的距離為13.41mm，若要求投影差不大于0.6m，則相應(yīng)的DSM高程誤差應(yīng)不大于1.34m，詳見(jiàn)表1。

表1 不同情形下DSM限差

焦距f越大，DSM高程誤差的限差越大；航向、旁向重疊度越大，DSM高程誤差的限差也越大。

1.2 重疊度設(shè)置

多視影像密集匹配和聯(lián)合平差是提高TDOM精度和質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)高分辨率、高精度的DSM進(jìn)行影像幾何糾正，能有效改正中心成像造成的影像幾何變形與位置偏差。它主要在多角度傾斜攝影影像聯(lián)合空三加密的基礎(chǔ)上進(jìn)行密集匹配，生成高密度三維點(diǎn)云，其精度與效果跟影像分辨率和重疊度關(guān)系密切。在傳統(tǒng)航向重疊度60%和旁向重疊度30%的設(shè)置下，地面物體會(huì)互相遮擋，影像不易匹配，建筑物各立面紋理特征和幾何精度難以保證[3]。

多角度傾斜航攝儀能同時(shí)獲取測(cè)區(qū)的下視影像和側(cè)視影像，為地面物體紋理自動(dòng)映射和遮蔽區(qū)域紋理補(bǔ)償提供更豐富的數(shù)據(jù)源。因此，在外業(yè)航攝過(guò)程中，需對(duì)影像航向和旁向重疊度進(jìn)行提升以減少遮擋，通過(guò)較高的冗余度消除粗差，提高DSM精度，進(jìn)而提高TDOM的精度。

2 TDOM制作

2.1 傾斜攝影

文章在湖北黃岡市長(zhǎng)河治理工程中開(kāi)展了應(yīng)用試驗(yàn)，采用CW- 10C無(wú)人機(jī)，搭配五組Sony ILCE- 5100鏡頭拼裝相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，4個(gè)傾斜鏡頭的焦距為35mm，正攝鏡頭的焦距為20mm，像幅尺寸為35.8mm×23.9mm，像素為2400萬(wàn)。航攝區(qū)域面積約為3km2，測(cè)區(qū)平均海拔為30m，最大相對(duì)高差為50m，測(cè)區(qū)分布了多棟高層建筑物。

結(jié)合續(xù)航時(shí)間及測(cè)區(qū)范圍，設(shè)計(jì)飛行3個(gè)架次，共36條航線(xiàn)，地面分辨率為3.8cm，航向及旁向重疊度均為70%，航線(xiàn)間距72m，相對(duì)航高為230m，不同架次之間重疊3～4條航線(xiàn)，如圖2所示。為提高DSM匹配精度和效果，像控點(diǎn)均布設(shè)于開(kāi)闊平坦地面。

2.2 點(diǎn)云提取及DSM構(gòu)建

通過(guò)ContextCapture軟件的影像自動(dòng)匹配功能和SFM技術(shù)，計(jì)算內(nèi)方位元素和相機(jī)畸變參數(shù)，并考慮像主點(diǎn)偏移影響，恢復(fù)相機(jī)拍攝瞬時(shí)位置姿態(tài)，再通過(guò)自由網(wǎng)平差和像控點(diǎn)平差，生成帶坐標(biāo)的稀疏點(diǎn)云，進(jìn)一步利用多視立體視覺(jué)技術(shù)創(chuàng)建三維網(wǎng)格進(jìn)行點(diǎn)云加密，最后獲得測(cè)區(qū)的DSM，如圖3所示。

2.3 空三平差

傳統(tǒng)垂直攝影測(cè)量系統(tǒng)只能解算處理垂直視角影像，無(wú)法解算其他傾斜視角影像。傾斜攝影空三加密包括垂直的下視角和前、后、左、右傾斜視角等多視角影像的數(shù)據(jù)處理，它以5個(gè)視角的POS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別獲取各視角外方位元素和姿態(tài)參數(shù)，在每級(jí)影像上由粗到細(xì)進(jìn)行多視角影像自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)平差，然后建立5個(gè)視角影像控制點(diǎn)刺點(diǎn)連接，聯(lián)合進(jìn)行平差解算。在空三加密時(shí)需注意的是：

圖2 航線(xiàn)圖

圖3 點(diǎn)云及DSM生成

(1)傾斜影像幾何變形較大，隨拍攝距離增大而變大，需合理選取匹配影像；

(2)傾斜攝影地物之間容易相互遮擋，僅依靠同名點(diǎn)自動(dòng)匹配，可能無(wú)法成功匹配所有像點(diǎn)，需人工干預(yù)補(bǔ)充。

像點(diǎn)重投影誤差的均方根是客觀(guān)反映最終建模精度的重要指標(biāo)之一，通過(guò)該指標(biāo)可初步判斷模型的精度。試驗(yàn)中將30個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行空三計(jì)算，控制點(diǎn)重投影誤差的均方根為0.03像素，最大值為0.05像素，連接點(diǎn)重投影誤差的均方根為0.7像素，模型精度較高。

對(duì)傾斜影像和正攝影像空三結(jié)果進(jìn)行了量測(cè)分析，結(jié)果表明，在下視影像和傾斜影像中，平面中誤差和高程中誤差均滿(mǎn)足航空攝影測(cè)量規(guī)范要求。在控制點(diǎn)精度校核上，下視影像的精度比傾斜影像的精度高；在檢查點(diǎn)的精度校核上，則是傾斜影像的精度更高；當(dāng)影像分辨率為10cm時(shí)，平面中誤差在精度范圍內(nèi)，高程中誤差略大[9]。

2.4 DSM提取

利用ContextCapture軟件，生成三維模型瓦片對(duì)應(yīng)的DSM，能夠滿(mǎn)足一般的要求。傾斜影像的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)影像數(shù)中位值為10，明顯大于正攝影像的影像數(shù)中位值3，增強(qiáng)了多視影像密集匹配的穩(wěn)健性。

為全面分析傾斜影像和正攝影像DSM的差別，試驗(yàn)中利用0.05m網(wǎng)格的傾斜影像和下視影像分別生成了數(shù)字表面模型DSM1和DSM2。采用GIS軟件對(duì)DSM1、DSM2求差后，截取2個(gè)典型斷面進(jìn)行對(duì)比分析，得到斷面高程較差及建筑物高程較差，如圖4所示。

圖4 傾斜影像與正攝影像DSM的較差

對(duì)于相對(duì)高差較小的區(qū)域，DSM較差最大值為1.2m，但在距高層建筑物邊緣線(xiàn)0.2～0.8m處，有多處DSM局部差別較大(7～30m)。這表明正攝影像由于遮擋等原因，產(chǎn)生誤匹配，導(dǎo)致DSM局部誤差較大。

DSM存在失真的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致DOM投影差大，從而DOM會(huì)出現(xiàn)明顯的扭曲和失真。

2.5 TDOM生成

在三維模型基礎(chǔ)之上，生成的DOM已經(jīng)是真正射影像，不需再進(jìn)行其他糾正。由于測(cè)區(qū)范圍過(guò)大，軟件自動(dòng)生成的DSM和TDOM是采用瓦片形式存放的，為了實(shí)際應(yīng)用的方便，通過(guò)ArcGIS軟件對(duì)瓦片文件進(jìn)行了拼接合并處理。

根據(jù)遮蔽補(bǔ)償原理，遮蔽區(qū)域的紋理能在相鄰航線(xiàn)上得到補(bǔ)償，基本消除了TDOM的漏洞。由于水面的低紋理特性產(chǎn)生的少數(shù)漏洞，采用Photoshop軟件進(jìn)行了填充修復(fù)。最終生產(chǎn)的TDOM成果如圖5所示。

圖5 湖北黃岡市長(zhǎng)河治理工程TDOM

2.6 TDOM精度檢測(cè)及效果分析

2.6.1TDOM精度檢測(cè)

TDOM的位置精度評(píng)定可通過(guò)比對(duì)加密點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行衡量。一般選取房角、墻角、陡坎等幾何特征變化大的位置，結(jié)合三維實(shí)景模型或全站儀檢測(cè)進(jìn)行比對(duì)。

采用全站儀進(jìn)行高精度檢測(cè)，平面中誤差公式如下：

(3)

式中，pi—坐標(biāo)矢量較差；n—檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

通過(guò)外業(yè)檢查點(diǎn)對(duì)TDOM平面精度進(jìn)行了檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 TDOM平面精度統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)檢測(cè)，檢查點(diǎn)平面誤差最大為0.08m，最小為0.04m，中誤差為0.065m，試驗(yàn)生成的TDOM滿(mǎn)足了規(guī)范精度要求。

另外，將TDOM與1∶500比例尺數(shù)字線(xiàn)劃圖(DLG)進(jìn)行了疊加比對(duì)，套合情況良好，說(shuō)明TDOM的幾何精度高。

2.6.2TDOM表征質(zhì)量對(duì)比

對(duì)正攝攝影DOM與傾斜攝影TDOM進(jìn)行了效果對(duì)比，顯見(jiàn)正攝攝影DOM存在建筑物邊緣鋸齒、建筑物房角非直角、正方形扭曲、亭子非圓、內(nèi)部道路邊緣扭曲、道路中線(xiàn)錯(cuò)位和邊緣被樹(shù)木遮擋、建筑物附近的漏洞等缺陷，而在TDOM中均得到改正，TDOM的質(zhì)量比DOM明顯提高。

另外，TDOM細(xì)節(jié)紋理更加突出，幾何誤差小，陰影和遮擋大幅度減少，消除了航攝高度和相機(jī)傾斜造成的遮蔽影響，影像均勻分布在實(shí)際地表位置。

3 TDOM在水利工程中的應(yīng)用探討

3.1 虛擬漫游巡線(xiàn)

TDOM形象直觀(guān)、信息豐富、坐標(biāo)位置精準(zhǔn)，所有地物屬性一目了然。在水利工程建設(shè)前期，結(jié)合DEM構(gòu)建數(shù)字地表模型，進(jìn)行工程沿線(xiàn)地形地物的分析和可視化巡視，并可直接從影像圖上分析地物屬性、量測(cè)所需數(shù)據(jù)資料，從總體上把握工程現(xiàn)狀，還能獲取無(wú)法實(shí)地查勘區(qū)域的相關(guān)信息，便于工程前期的規(guī)劃和選址。

3.2 水利工程信息化底圖

信息化是當(dāng)今世界的大勢(shì)所趨，是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量，是傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變的必由之路。國(guó)家大力推進(jìn)水利信息化建設(shè)，旨在提高水資源利用與管理效率，科學(xué)合理調(diào)配水資源，促進(jìn)水利事業(yè)發(fā)展。在此背景下，水利一張圖、智慧水利、數(shù)字流域等工程應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生，這些都需要精準(zhǔn)可靠的影像作為底圖，而TDOM高分辨率、高精度、無(wú)變形的特性正是水利工程各類(lèi)信息化應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。試驗(yàn)中，利用切片后的TDOM數(shù)據(jù)作為影像基礎(chǔ)構(gòu)建了工程BIM+GIS數(shù)字化平臺(tái)，為工程定位、標(biāo)繪、量測(cè)等各類(lèi)應(yīng)用提供了基本底圖，取得了良好應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

文章利用傾斜攝影技術(shù)生成的TDOM能滿(mǎn)足規(guī)范要求，消除了傳統(tǒng)DOM幾何精度差、遮擋漏洞等缺陷，自動(dòng)化程度較高，精度和效果均得到有效提升。在TDOM制作過(guò)程中，影像高重疊度能直接提升產(chǎn)品質(zhì)量，并能提供更豐富的地面紋理來(lái)修補(bǔ)漏洞，故采用傾斜攝影技術(shù)制作TDOM時(shí)，建議航向及旁向重疊度均不小于70%。

基于水利行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，文章探討了TDOM在水利工程虛擬漫游巡線(xiàn)和信息化建設(shè)領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)TDOM在水利工程設(shè)計(jì)建造及智慧化、數(shù)字化領(lǐng)域的深層次應(yīng)用，文章尚未深入研究，仍需進(jìn)一步的探討與論證。