基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模及精度分析

趙建春

（濰坊市勘察測(cè)繪研究院，山東 濰坊 261041）

隨著民用無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟，使用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)進(jìn)行航測(cè)在各行業(yè)得到了推廣使用。從拍攝方式上來(lái)看，傾斜攝影可支持多鏡頭、多角度拍攝，相比于豎向拍攝能更加詳細(xì)地描述和恢復(fù)地物細(xì)節(jié)，因此基于傾斜攝影獲得的影像數(shù)據(jù)制作的實(shí)景三維模型精度更高。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，技術(shù)人員既要熟悉基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)制作實(shí)景三維模型的流程，如稀疏匹配、空三測(cè)量、紋理映射等；同時(shí)還必須了解可能影響模型精度的各種因素，并采取相應(yīng)的措施來(lái)提高模型精度。例如根據(jù)測(cè)區(qū)地形地貌科學(xué)布設(shè)控制點(diǎn)，或者根據(jù)無(wú)人機(jī)和相機(jī)性能靈活調(diào)節(jié)航高等。通過(guò)提高實(shí)景三維模型的精度，為城市規(guī)劃等工作的開(kāi)展提供必要的支持。

1 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型的構(gòu)建流程

1.1 稀疏匹配

選擇特定的算法，在描述相同地形地物的不同影像之間提取同名特征點(diǎn)，這一過(guò)程即為稀疏匹配。根據(jù)提取出來(lái)的同名特征點(diǎn)，可以在數(shù)字地圖上更加準(zhǔn)確地表示不同影像之間的相對(duì)位置關(guān)系，甚至能起到自動(dòng)修正位置、提高位置精度的效果。完成稀疏匹配要經(jīng)過(guò)以下流程：a.特征點(diǎn)提取。為了從影像中找到特征點(diǎn)，可選擇Harris 算子進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，找出特征角點(diǎn)，或者選擇DoG 算子進(jìn)行斑點(diǎn)檢測(cè)，找出特征斑點(diǎn)。這樣就能從多個(gè)同名點(diǎn)中找出同名特征點(diǎn)。b.特征點(diǎn)描述。利用特征點(diǎn)本身或領(lǐng)域點(diǎn)的特征信息來(lái)描述特征點(diǎn)，例如尺度信息、坐標(biāo)信息、方向信息等。c.特征點(diǎn)匹配。在多個(gè)特征點(diǎn)之間建立映射關(guān)系，從特征點(diǎn)集合中尋找能成功配對(duì)的信息。根據(jù)配對(duì)結(jié)果，如果相似度較高，說(shuō)明兩點(diǎn)為同名特征點(diǎn)的幾率越大。

1.2 空三測(cè)量

在稀疏匹配的基礎(chǔ)上，可以參考影像中所有同名特征點(diǎn)的配對(duì)結(jié)果進(jìn)行相對(duì)定向。使像點(diǎn)、地物點(diǎn)、投影中心三點(diǎn)一線，保證同一地物點(diǎn)上的不同影像，產(chǎn)生的像點(diǎn)均滿足共線條件；而2 條以上的同名光線，與攝影基線之間應(yīng)滿足共面條件。在此基礎(chǔ)上，利用共面方程可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)相機(jī)拍攝影像時(shí)的坐標(biāo)位置和拍攝角度?；谶@兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，反推出影像在像空間輔助坐標(biāo)系下相對(duì)的外方位元素，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)定向。定向完成后，繼續(xù)選擇當(dāng)前數(shù)字地圖上的特征點(diǎn)，將其作為控制點(diǎn)，根據(jù)每一個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，在對(duì)應(yīng)的地面攝影測(cè)量坐標(biāo)系上標(biāo)記出來(lái)。在所有控制點(diǎn)標(biāo)記完成后，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算方法，可以得出外方位元素的最佳解，完成空中三角測(cè)量。

1.3 密集匹配

將所有特征點(diǎn)納入到同一個(gè)集合中，即可得到稀疏點(diǎn)云。雖然稀疏點(diǎn)云可以提供構(gòu)建實(shí)景三維模型的數(shù)據(jù)，但是模型清晰度、紋理等方面還存在很多缺陷，因此還要對(duì)稀疏點(diǎn)云中的同名像點(diǎn)做密集匹配處理。尤其是采用傾斜攝影方式獲得的數(shù)據(jù)，因?yàn)榕臄z角度的原因，影像資料的投影變形大、地物之間相互遮擋的情況較為常見(jiàn)，需要對(duì)影像中的特征點(diǎn)做特殊處理。方法如下：利用特征點(diǎn)建立三角網(wǎng)，每個(gè)獨(dú)立的三角形代表一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，并對(duì)同名三角形進(jìn)行獨(dú)立的仿射變換。這樣每個(gè)同名三角形中，每個(gè)頂點(diǎn)都可以提取出1 個(gè)同名特征頂點(diǎn)，將三角網(wǎng)中所有三角形按照上述方法完成仿射變換后，可以得到一個(gè)由同名特征頂點(diǎn)組成的旋轉(zhuǎn)矩陣。利用該矩陣對(duì)三角形內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行像素點(diǎn)匹配，如果匹配相似度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，則為同名像點(diǎn)，利用該方法可以尋找更多數(shù)量的同名像點(diǎn)，從而提高實(shí)景三維建模的精度。

1.4 網(wǎng)格化處理

為了使構(gòu)建的實(shí)景三維模型符合人眼的視覺(jué)習(xí)慣，還需要在影像數(shù)據(jù)密集匹配的基礎(chǔ)上，對(duì)密集點(diǎn)云做三角網(wǎng)格化處理。其步驟包括：a.在已經(jīng)完成的三角網(wǎng)上進(jìn)行網(wǎng)格初始化，使相鄰三角形的邊界清晰，得到若干個(gè)元三角形；b.基于最優(yōu)點(diǎn)位于網(wǎng)格生長(zhǎng)方向的約束條件，使用Delaunay 算法對(duì)元三角形做網(wǎng)格化處理，進(jìn)行網(wǎng)格生長(zhǎng)，可以獲得真三維網(wǎng)格；c.對(duì)真三維網(wǎng)格進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)存在空洞，則使用Delaunay 算法予以修補(bǔ)，所有空洞修補(bǔ)完畢后可以得到最終的網(wǎng)格模型。

1.5 紋理映射

網(wǎng)格模型基本上能夠呈現(xiàn)出測(cè)區(qū)地物的真實(shí)景象，但是在一些細(xì)部紋理上還有一定的改進(jìn)空間。尤其是在陰影部分，可能會(huì)存在邊界模糊、內(nèi)容覆蓋的情況，因此還需要對(duì)網(wǎng)格模型做紋理映射處理，使實(shí)景三維模型的真實(shí)感更強(qiáng)。紋理映射的步驟包括：a.基于影像坐標(biāo)系和紋理坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從紋理坐標(biāo)系中，找出與影像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)；b.借助于共線方程，將上一步驟中所得的紋理坐標(biāo)，與三維模型建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)二維影像向三維模型的轉(zhuǎn)換；c.將紋理信息添加到三維模型的表面，讓三維模型具備更加真實(shí)的視覺(jué)效果。

2 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型的精度分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇某職工宿舍樓作為測(cè)區(qū)，占地面積3440 平方米，測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，有5 棟6 層樓房，高度為17.2m。使用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)區(qū)內(nèi)外業(yè)影像的數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)中所用無(wú)人機(jī)為廣東翱勝創(chuàng)新科技公司生產(chǎn)的F16 型油動(dòng)無(wú)人機(jī)，滿載總量可達(dá)44kg，最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間45min，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸距離5kg，配備Sony ILCE-5100 型數(shù)碼相機(jī)。內(nèi)置5 個(gè)鏡頭，其中1 個(gè)為焦距20mm 的豎直鏡頭，另外4 個(gè)為焦距35mm的傾斜鏡頭。相幅6400×4800，單個(gè)像素3.8μm。根據(jù)測(cè)區(qū)地形、建筑物高度以及無(wú)人機(jī)和相機(jī)性能參數(shù)，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)線路進(jìn)行規(guī)劃，確定航行高度120m，照片數(shù)量156 張，航線重疊與旁向重疊統(tǒng)一設(shè)置為80%，影像地面分辨率為3mm，現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)置了12 個(gè)像控點(diǎn)，比例尺設(shè)置為1:1200。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到測(cè)區(qū)內(nèi)建筑數(shù)量較多，并且樓間距偏小，因此在實(shí)際測(cè)量時(shí)分別采取了無(wú)人機(jī)豎直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量2 種方式，對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行對(duì)比。在完成航測(cè)之后，將兩次測(cè)量所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化后，得到測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型。選擇該模型中的地面檢查點(diǎn)和房角檢查點(diǎn)，對(duì)比坐標(biāo)，進(jìn)行進(jìn)度分析。兩次航測(cè)的參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 兩次航測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

在兩組實(shí)景三維模型中，從整體上來(lái)看差距并不明顯。但是觀察模型細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，采用豎直單鏡頭攝影并生成的實(shí)景三維模型，存在紋理不準(zhǔn)確、陰影內(nèi)容不清晰等缺陷。特別是模型側(cè)面，豎直模型細(xì)節(jié)三角網(wǎng)的密度小，展示的信息不夠豐富，如圖1 所示。

圖1 測(cè)區(qū)建筑側(cè)面實(shí)景三維模型對(duì)比

根據(jù)模型對(duì)比情況可知，采用無(wú)人機(jī)傾斜多鏡頭攝影方式，能夠保證所得數(shù)據(jù)更加豐富，實(shí)景三維模型呈現(xiàn)出的地物畫(huà)面更加清晰，三維模型的真實(shí)性更好，從而提高了三維模型的利用價(jià)值。

3 航高對(duì)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型精度的影響

3.1 影像地面分辨率

使用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)，可以根據(jù)既定路線自動(dòng)采集地面影響，具有操作靈活、效率較高等特點(diǎn)。在影像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的飛行高度會(huì)對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)的精確度產(chǎn)生直接影響。因此，為了保證航測(cè)數(shù)據(jù)及三維模型的精度，必須要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳航高。影像地面分辨率（GSD）是影像中一個(gè)像素所表達(dá)的地表實(shí)際距離，由無(wú)人機(jī)的航高和相機(jī)的參數(shù)共同決定。其中，相機(jī)的焦距、GSD 等參數(shù)都是固定的，因此在航測(cè)時(shí)只能通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的飛行高度來(lái)達(dá)到最理想的影像分辨率。航高、焦距與GSD 之間的集合關(guān)系如圖2 所示。

圖2 影像地面分辨率的幾何示意圖

其中，航高（H）與GSD 之間的關(guān)系式為：

上式中，f 表示相機(jī)焦距，pix 表示影像單個(gè)像元的大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

選擇某村莊作為測(cè)區(qū)，用電動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)。無(wú)人機(jī)搭載NOKIA 808 型號(hào)傾斜相機(jī)。內(nèi)有1 個(gè)焦距為8mm的豎直鏡頭，以及4 個(gè)焦距為10mm 的傾斜鏡頭，相幅4200×3600，單個(gè)像素2.6μm。本次實(shí)驗(yàn)中無(wú)人機(jī)航拍高度分別設(shè)定為45m 和32m，前者對(duì)應(yīng)的影響地面分辨率為1.5cm，后者為1cm。無(wú)人機(jī)的航線重疊、旁向重疊等均統(tǒng)一設(shè)置成80%。在測(cè)區(qū)內(nèi)共布置了12 個(gè)像控點(diǎn)，成圖比例尺為1:800。按照上述設(shè)定參數(shù)，利用無(wú)人機(jī)航測(cè)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)后，使用軟件生成測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型。

3.3 模型精度對(duì)比與分析

考慮到測(cè)區(qū)內(nèi)房屋較為密集，故選擇房角作為檢查點(diǎn)，共計(jì)24 個(gè)。分別從生成的2 個(gè)實(shí)景三維模型上，對(duì)房屋進(jìn)行數(shù)字線畫(huà)圖采集，并將結(jié)果與全站儀實(shí)測(cè)的房角點(diǎn)平面坐標(biāo)對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果可以得出不同航高對(duì)數(shù)字線劃圖房屋精度的影響。其中，24 個(gè)檢查點(diǎn)的平面誤差如圖3 所示。

圖3 24 個(gè)檢查點(diǎn)航高對(duì)比實(shí)驗(yàn)房角檢查點(diǎn)平面誤差直方圖

結(jié)合圖3 數(shù)據(jù)，求得24 個(gè)檢查點(diǎn)的中誤差，不同地面分辨率的中誤差如圖4 所示。

圖4 航高對(duì)比實(shí)驗(yàn)房角檢查點(diǎn)的中誤差直方圖

經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1cm 地面分辨率的傾斜實(shí)景三維模型中，平面平均誤差（中誤差）為4.95cm，其中最大誤差8.21cm，最小誤差為0.93cm。在1.5cm 地面分辨率的傾斜實(shí)景三維模型中，平面平均誤差為8.28cm，其中最大誤差為16.75cm，最小誤差為0.77cm。如表2 所示。

表2 航高對(duì)比實(shí)驗(yàn)房角檢查點(diǎn)精度表

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，使用無(wú)人機(jī)傾斜相機(jī)采集地面數(shù)據(jù)、構(gòu)建實(shí)景三維模型時(shí)，將影像地面分辨率從1.5cm 提升至1cm 后，房角檢查點(diǎn)平面精度提升了60%，表明適當(dāng)降低航高可以讓實(shí)景三維模型的精度進(jìn)一步提升。但是在實(shí)際作業(yè)時(shí)，也必須認(rèn)識(shí)到隨著分辨率的升高，獲取的影像數(shù)據(jù)增多，相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作量也變大。因此，要綜合考慮內(nèi)外業(yè)因素，以及無(wú)人機(jī)及其搭載相機(jī)的性能，來(lái)確定最佳的航高，以保證測(cè)繪精度滿足使用需求。

結(jié)束語(yǔ)

使用無(wú)人機(jī)航拍采集地物數(shù)據(jù)時(shí)，采用傾斜、多鏡頭拍攝可以獲得更加豐富、精確的信息，在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化生成的實(shí)景三維模型，可以更加清晰、準(zhǔn)確地展示測(cè)區(qū)的地面情況，從而提高了模型的參考價(jià)值。在無(wú)人機(jī)航攝時(shí)，除了相機(jī)的傾斜角度和性能參數(shù)會(huì)影響三維模型精度外，無(wú)人機(jī)的飛行高度也會(huì)對(duì)影像地面分辨率產(chǎn)生直接影響。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，可適當(dāng)降低無(wú)人機(jī)航高，提高地面分辨率和實(shí)景三維建模的精度，進(jìn)而為城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、地籍測(cè)繪等工作的開(kāi)展提供必要的技術(shù)支持。