Context Capture 軟件空中三角測量優(yōu)化研究

王鑫

（中國建筑材料與工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊，寧夏 銀川 750000）

隨著實景三維中國和房地一體確權(quán)項目的順利推進，傾斜攝影測量技術(shù)再次迎來發(fā)展高峰期。目前傾斜攝影測量技術(shù)，已經(jīng)被廣泛用于測繪產(chǎn)品的制作和分析中，比如大比例尺地形圖測繪、精準(zhǔn)土方量計算、房地一體項目、城市立面街景改造項目、城市規(guī)劃和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與模擬防范項目中等，因此傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速解算是非常重要的。然而在實際作業(yè)之中可以發(fā)現(xiàn)，目前的傾斜攝影測量軟件，不但作業(yè)效率低，而且空中三角測量極易出現(xiàn)分層、彎曲等問題，導(dǎo)致空三加密成果不可用，嚴(yán)重影響了作業(yè)進度，導(dǎo)致作業(yè)成本升高。為了解決空中三角測量這一問題，提升作業(yè)效率和空三解算的成功率，筆者深入分析空中三角測量的解算原理后，得知輸入準(zhǔn)確的外方位元素和相機參數(shù)，減少影像畸變，提高加密點的匹配精度，可以有效解決空中三角測量問題，提升空三的解算精度、成功率和效率[1-4]。并通過不同的項目進行對比測試，結(jié)果表明，采用本文的方法，作業(yè)效率有了提升，空三解算成功率有了提升，對于傾斜攝影作業(yè)人員來說，具有較強的借鑒意義，可以有效解決作業(yè)過程中的實際問題，降低作業(yè)成本。

1 傾斜攝影作業(yè)流程

該作業(yè)流程主要分為內(nèi)外兩部分，外業(yè)工作內(nèi)容為傾斜影像數(shù)據(jù)的航攝、像控點的噴涂及測量工作，內(nèi)業(yè)主要是對外業(yè)獲取的影像數(shù)據(jù)進行解算，對控制點進行轉(zhuǎn)刺，然后基于空中三角測量成果進行實景三維模型的重建和后期其它測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)。外業(yè)影像數(shù)據(jù)獲取主要包括飛機和相機選擇，航線規(guī)劃和航攝作業(yè)；控制點數(shù)據(jù)采集主要包括控制點布設(shè)，靶標(biāo)噴涂和三維坐標(biāo)測量[5]。內(nèi)業(yè)工作主要有影像數(shù)據(jù)的勻光勻色、像控點的平均值求取、新建工程并加載相關(guān)數(shù)據(jù)、空中三角測量的解算、像控點的轉(zhuǎn)刺及平差、實景三維模型及其4D 測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)，其流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程

2 傾斜攝影空三優(yōu)化研究

通過圖1 的作業(yè)流程可知，在外業(yè)方面，其所有流程都是受控的，都是人工干預(yù)進行的。內(nèi)業(yè)來說，空中三角測量是軟件全自動完成的，而實際作業(yè)過程中，最容易出現(xiàn)問題的也是該環(huán)節(jié)，因此對于空中三角測量解算來說，必須對輸入的數(shù)據(jù)進行有效優(yōu)化，這樣得到的空三成果質(zhì)量更高。而對于空三加密來說，影響其解算成果質(zhì)量的因素主要有POS 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和相機參數(shù)[6]，因此需要對輸入?yún)?shù)進行優(yōu)化，才能有效提升空中三角測量的解算成功率和效率。

2.1 優(yōu)化POS 數(shù)據(jù)

優(yōu)化POS 數(shù)據(jù)主要是指能夠準(zhǔn)確還原相機在拍攝時與像片之間的位置關(guān)系，這樣才能在空中三角測量時進行準(zhǔn)確匹配。目前優(yōu)化POS 主要的方法有以下幾種：

2.1.1 以下視鏡頭為基準(zhǔn)求解側(cè)視鏡頭準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)。在傾斜攝影測量中，一般都是多個相機共用下視鏡頭相機的POS。結(jié)合相機安裝可知，采用這種方法進行作業(yè)，側(cè)視相機的POS 精度是比較低的，并不能準(zhǔn)確還原多個相機之間的相互關(guān)系，因此需要對側(cè)視相機進行有效優(yōu)化，這樣才能保證側(cè)視鏡頭POS 的精度較高。以5鏡頭為例，其4 個側(cè)視鏡頭與下視鏡頭之間的相對關(guān)系和參數(shù)，可以通過平臺檢校參數(shù)獲取，將該參數(shù)用于POS數(shù)據(jù)解算，就可以準(zhǔn)確計算得到側(cè)視鏡頭的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了便于后期對不同組合的相機進行解算，本次利用Matlab 軟件在開發(fā)POS 解算軟件時，對輸入的數(shù)據(jù)全部進行手動輸入，然后自動解算得到每個相機每張影像的準(zhǔn)確POS。

2.1.2 基于低精度POS 解算再進行高精度解算?？杖馑闶。蚉OS 的精度也是有關(guān)系的，因為在平差的時候，是基于POS 數(shù)據(jù)進行的，POS 精度不一致，很容易導(dǎo)致平差失敗。Context Capture 軟件的空中三角測量算法對輸入的數(shù)據(jù)要求高，對于普通的POS 數(shù)據(jù)，輸入Context Capture 軟件中進行空三解算，很容易失敗，因此需要對輸入的POS 數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。Mirauge3D 軟件是一款傾斜攝影測量軟件，其算法對輸入數(shù)據(jù)要求不高，但是其匹配的成果精度較低，可以對POS 數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。首先將POS 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mirauge3D 軟件中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，完成低精度空中三角測量解算，然后導(dǎo)出通用交換格式的XML 文件，該文件里面記錄了高精度的影像位置和姿態(tài)參數(shù)。然后將其導(dǎo)入Context Capture 軟件中，再次進行空中三角測量解算。如圖2 所示，是某一項目對POS 優(yōu)化前后的空中三角測量解算結(jié)果。

圖2 POS 優(yōu)化前后的空三解算結(jié)果

圖2 中的左圖是優(yōu)化前的成果，空三解算結(jié)果分層嚴(yán)重，不能用于后續(xù)的三維模型生產(chǎn)；右圖是利用Mirauge3D 軟件進行第一遍空三，然后利用Context Capture 軟件再次進行解算后的結(jié)果，空三呈平行狀態(tài)，符合實際情況，空三成果可用。

2.1.3 基于差分定位的POS 獲取。普通的傾斜攝影POS 精度，其誤差在10 米之內(nèi)，且精度分布不均勻，在進行傾斜空三解算時，失敗率很高。差分定位也叫差分GPS定位技術(shù)，即在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS 接收機，并對其進行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知的精密坐標(biāo)值，計算得到基準(zhǔn)站到衛(wèi)星之間的距離改正數(shù)，并通過基準(zhǔn)站將這一數(shù)據(jù)實時進行發(fā)送。用戶接收機一邊進行GPS 觀測，一邊也接收基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并利用改正數(shù)，對其觀測得到的坐標(biāo)值進行改正，從而提高相機在空中曝光時的定位精度。目前主流的差分技術(shù)主要包括兩種，即后差分和實時差分，其都可以獲得分米級別的POS 數(shù)據(jù)，且其對影像的姿態(tài)獲取精度也很高，這樣一來，就可以準(zhǔn)確獲取影像的位置和姿態(tài)參數(shù)，將三個外方位角元素引入軟件中進行空中三角測量解算，也可以有效提升空中三角測量的精度和成功率。

2.2 優(yōu)化相機參數(shù)

優(yōu)化相機參數(shù)主要是指對相機的內(nèi)外方位元素進行準(zhǔn)確獲取。利用檢校場對影像數(shù)據(jù)進行解算，從而得到精度較高的相機參數(shù)，在傳統(tǒng)的垂直攝影測量中很常見，但是對于傾斜相機的檢校，目前能夠精確檢校的場所較少，加上其成本較高，因此實際作業(yè)中很少使用此方法進行相機參數(shù)檢校。為了提升空三的解算精度和成功率，本文結(jié)合長期作業(yè)經(jīng)驗，通過少量影像得到精度較高的相機參數(shù)，然后用高精度的相機參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)對全部影像進行解算。首先新建工程，每個鏡頭選擇少量的照片進行傾斜數(shù)據(jù)解算，經(jīng)過多次平差調(diào)整，直到相機的內(nèi)方位元素趨于定值后，才停止優(yōu)化。將優(yōu)化后的相機參數(shù)導(dǎo)入軟件中，對全部影像進行解算，可以有效提升空三解算的精度和成功率。

2.3 優(yōu)化影像數(shù)據(jù)

2.3.1 使用蒙板技術(shù)

蒙板技術(shù)是Context Capture 軟件中常用到的一種方法，其原理就是遮住影像的邊緣部分，只讓影像內(nèi)部參與空中三角測量的解算。其原理就是影像邊緣畸變嚴(yán)重，提取匹配的加密點誤差太大，不利于后期平差調(diào)整，影像邊緣參與運算，很可能會使平差失敗，導(dǎo)致空中三角測量成果不可用。蒙板是通過黑白兩色來設(shè)置的，對于不讓參與空三解算的部分，將對應(yīng)的影像值填充為黑色，對于需要參與解算的部分，則將影像值填充為白色。蒙板可以針對某一影像，也可以針對某一文件夾內(nèi)的所有影像。如果是用于所有影像，則需要將蒙板和影像放在同一文件夾內(nèi)，且命名必須為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。如圖3 所示，左圖是應(yīng)用蒙板前匹配得到的加密點，右圖是應(yīng)用蒙板后匹配得到的加密點。

圖3 蒙板應(yīng)用前后匹配加密點結(jié)果

匹配得到的加密點，黃色點是精度較低的加密點，綠色點是精度較高的加密點。由圖3 可知，使用蒙板后，黃色加密點明顯減少，空中三角測量精度有了一定的提高。

2.3.2 影像勻光勻色

空中三角測量解算過程涉及到影像特征檢測、特征提取、圖像相似度計算、特征匹配和平差調(diào)整幾個步驟。由于無人機像幅小，航飛高度低，因此獲取的每張影像可能存在較大的色差和陰影。在特征檢測中，如果影像陰影較大，則很難對其特征進行準(zhǔn)確檢測，也不能很好的完成圖像相似度的計算，因此降低影像色差，提升影像對比度，提升影像的整體質(zhì)量，可有助于空三解算的順利完成。本次在對影像進行勻光勻色處理時，選用中測智繪的M3Dehaze 軟件進行，首先設(shè)置輸入影像路徑和保存處理后的路徑，然后設(shè)置處理線程和處理模式，設(shè)置gamma 參數(shù)為0.5，完成對影像的亮度調(diào)整，如圖4 所示。

圖4 基于M3Dehaze 軟件進行亮度調(diào)整

對調(diào)整后的影像，選擇一幅地物信息豐富，對比度明顯的影像作為參考影像，然后設(shè)置輸入、輸出的影像路徑，再次對影像進行勻光勻色處理。

3 對比分析

為了驗證本文提到方案的可行性，以實際項目生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對本文提到的方法進行驗證，驗證統(tǒng)計結(jié)果見表1。表中空三成果填“否”的是指空三出現(xiàn)分層、彎曲，填“是”的是指空三成果可直接用于建模；空三成果精度單位為像素；空三解算時長單位為小時。

通過表1 可知，對POS 數(shù)據(jù)、相機參數(shù)和影像質(zhì)量進行優(yōu)化，其空三解算成功率有了明顯的提升，而且優(yōu)化后的空三精度也有了顯著的提升，空三解算所耗時間減少，有效提升了作業(yè)效率。

表1 不同方案優(yōu)化前后對比

4 結(jié)論

本文分析了傾斜攝影測量的作業(yè)原理，得出空中三角測量解算結(jié)果取決于輸入的參數(shù)。在輸入的參數(shù)中，影像質(zhì)量、POS 精度和相機參數(shù)準(zhǔn)確度都對空中三角測量有一定的影響。針對輸入的數(shù)據(jù)，本文提出幾種可行的方案，對輸入的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，并以實際項目進行驗證。通過對比分析得出本文的方案，在一定程度上，可以提升空三成果的可用性，而且作業(yè)時長可以縮短，精度也得到了有效改善，可以為傾斜攝影作業(yè)人員帶來借鑒，解決傾斜攝影空三出現(xiàn)的分層、彎曲、精度低等問題。