傾斜攝影空中三角測量解算優(yōu)化研究

楊朋荷

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

近年來，測繪技術(shù)日新月異，尤其是無人機航空攝影測量技術(shù)，取得了快速的發(fā)展。無人機攝影測量目前主要有兩種形式，一種是傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術(shù)，其作業(yè)時，通常搭載一個航攝儀，航攝儀垂直于地面進行影像數(shù)據(jù)的采集；另一種是傾斜攝影測量技術(shù)，該技術(shù)在近幾年發(fā)展迅猛，其作業(yè)時，通常搭載多個航攝儀，從空中對地面進行多角度、全方位的影像數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)，影像在采集數(shù)據(jù)時，近似與地面垂直，獲取的數(shù)據(jù)，在空三解算時，其模型符合傳統(tǒng)的攝影平差模型，因此空三失敗率很低。而傾斜攝影測量，由于其余地面的夾角大，平差模型與傳統(tǒng)的攝影平差模型不符，因此傾斜攝影空中三角測量在解算時極易出現(xiàn)分層、彎曲、交叉等問題。針對傾斜攝影空中三角測量出現(xiàn)的問題，筆者在分析了其解算過程后，提出一些方案，來對傾斜攝影空中三角測量的解算進行優(yōu)化，并通過實際案例對優(yōu)化前后的結(jié)果進行對比分析。通過分析可知，本文提出的幾種方案，對于空中三角測量的解算優(yōu)化，其效果是比較明顯的，可以有效提升空三的解算成功率，且解算的精度和效率也有一定的提升，可以有效解決傾斜空三解算的一系列問題，從而為傾斜攝影從業(yè)者帶來借鑒。

1 傾斜攝影作業(yè)流程

傾斜攝影作業(yè)分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)，外業(yè)主要是獲取數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)主要是數(shù)據(jù)處理。外業(yè)的工作主要包括測區(qū)勘察、資料收集、飛機選型、航線規(guī)劃、像控點采集和航空攝影；內(nèi)業(yè)的工作主要包括數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)輸入、空中三角測量解算、像控點轉(zhuǎn)刺與平差、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、白膜生成、紋理映射、格式轉(zhuǎn)換與輸出，具體的作業(yè)流程見圖1。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程

2 空中三角測量優(yōu)化研究

空中三角測量解算，在同一個軟件里，其解算的結(jié)果主要受輸入數(shù)據(jù)的影響。輸入數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)（POS）和相機參數(shù)。由于不同軟件空中三角測量解算算法不一樣，因此同一數(shù)據(jù)，不同軟件解算結(jié)果也是不一樣的。鑒于此，本文通過優(yōu)化輸入數(shù)據(jù)、多款軟件組合使用的方法，對空中三角測量進行優(yōu)化研究。在空中三角測量解算時，其主要的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影空中三角測量解算流程

2.1 優(yōu)化相機參數(shù)

相機參數(shù)在數(shù)據(jù)解算中是非常重要的，相機參數(shù)主要涉及到相機的內(nèi)方位元素，通過不同方式獲取相機的精準參數(shù)，可以有效提升空中三角測量的解算成功率。

2.1.1 通過多次解算不斷優(yōu)化相機參數(shù)

空中三角測量解算的過程，主要包括特征點的提取與匹配，再進行平差。平差其實是對匹配的特征點進行優(yōu)化的一個過程，通過平差優(yōu)化，從而對相機的內(nèi)方位元素進行優(yōu)化。在某些軟件中，在進行空中三角測量解算時，通過多次不斷地提交空三任務、解算空三任務，從而使得空三解算成果可用。

2.1.2 通過檢校場完成相機參數(shù)的標定

精準的相機參數(shù)，主要的獲取方式是通過相機檢校場。相機檢校場的靶標是具有三維的靶標，利用無人機攜帶多鏡頭航攝儀，對相機檢校場進行拍攝，然后利用專業(yè)的相機參數(shù)檢校軟件，通過拍攝的檢校場影像，對相機的內(nèi)方位元素和徑向畸變系數(shù)、切向畸變系數(shù)進行準確解算，從而得到高精度的相機檢校參數(shù)，從而提升空中三角測量解算的成功率和精度。

2.1.3 通過少量照片來獲取準確相機參數(shù)

在數(shù)據(jù)解算時，少量影像解算容易通過，而大量影像解算則很容易失敗。通過對解算前后的相機參數(shù)進行對比可知，當空三解算成功時，其參數(shù)趨于穩(wěn)定，不再隨著解算進行改變。因此可以通過此方法獲取較準確地相機參數(shù)。首先選擇部分照片進行空三解算，通過多次解算，其參數(shù)趨于穩(wěn)定，則將優(yōu)化后的相機參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)進行大量影像解算，這樣也可以有效提升影像解算成功率。

2.2 優(yōu)化定位數(shù)據(jù)

無人機搭載的航攝儀在空中進行拍照時，搭載的定位定姿裝置就會將相機曝光時的位置和姿態(tài)記錄下來。目前無人機姿態(tài)穩(wěn)定性差，在實際作業(yè)中，一般只利用其定位數(shù)據(jù)，因此定位數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低也影響著空中三角測量的解算結(jié)果。

2.2.1 基于下視鏡頭POS 求解其余鏡頭的POS 值

目前無人機搭載的多鏡頭航攝儀，其記錄POS 的裝置只有一套，并且記錄的POS 是下視相機曝光時的位置，并沒有記錄其它鏡頭的POS 數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)解算時，通常都是以下視鏡頭POS 來代替其它鏡頭的POS。這樣在數(shù)據(jù)解算時，并不能還原攝影時相機之間的準確位置和姿態(tài)，這樣不利于影像的準確解算。多個相機之間的關(guān)系可通過平臺安置參數(shù)獲得，通過分析平臺安置參數(shù)，可以對側(cè)視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)解算。利用C# 語言開發(fā)POS 解算軟件，以下視鏡頭為標準，對其余鏡頭進行解算。為了解算軟件的通用性，在軟件開發(fā)時，結(jié)合2 鏡頭、3 鏡頭、5 鏡頭等相機的特點，將輸入的參數(shù)設置為可輸入項，提升了軟件的通用性。通過解算可以獲得精度更高的POS，有助于空中三角測量的解算。

2.2.2 以下視鏡頭POS 為參考來約束側(cè)視鏡頭數(shù)據(jù)

在上海瞰景軟件中，有這樣的選項，其目的就是提升空中三角測量解算的成功率，避免空三分層。其原理是在數(shù)據(jù)解算的時候，其余鏡頭的數(shù)據(jù)，都已下視鏡頭的數(shù)據(jù)為參照，就是在平差的時候，不但參考了POS 數(shù)據(jù)，而且也參考了下視鏡頭的影像，從而確保解算的數(shù)據(jù)在同一平面上，提升了空三的解算成功率。

2.3 優(yōu)化影像質(zhì)量

對于內(nèi)業(yè)來說，提升影像的質(zhì)量，主要包括去掉影像的畸變和提升影像的亮度和對比度，這樣在數(shù)據(jù)解算的時候，可以得到更精準的加密點，從而提升數(shù)據(jù)的解算精度和成功率。

2.3.1 基于蒙板降低影像畸變的影響

基于蒙板主要的作用是減小影像的畸變，但實際上并不是減少影像的畸變，而是設置參與數(shù)據(jù)解算的范圍，利用蒙板的技術(shù)，將影像分為兩部分，即參與空三解算的區(qū)域和不參與空三解算的區(qū)域。蒙板是通過兩種顏色來表示的，即黑色和白色。對于參與數(shù)據(jù)解算的區(qū)域填充為白色，對于不參與數(shù)據(jù)解算的區(qū)域，則填充為黑色。蒙板可以針對某一文件夾內(nèi)所有的影像，也可以用于單張影響。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，這樣蒙板就設置完成了。蒙板設置完成后，在空中三角測量解算時，其對影像邊緣部分，不進行提點操作，只是針對白色填充區(qū)域進行空三加密，這樣有效降低了影像畸變帶來的影響，提升了加密點的精度，有助于空中三角測量的解算。

2.3.2 基于勻光勻色軟件提升影像的質(zhì)量

由于無人機像幅小，獲取的影像數(shù)量多，加上相機鏡頭質(zhì)量一般，其獲取的影像一般來說亮度不高，色差大，對比度不明顯，不利于數(shù)據(jù)的解算，因此需要對其進行勻光勻色、亮度調(diào)整的處理。目前對于影像質(zhì)量的處理，通常是利用軟件實現(xiàn)的。首先利用Photoshop 軟件，對某一幅具有代表性的影像進行參數(shù)調(diào)整。主要調(diào)整亮度、對比度兩項參數(shù)。調(diào)整完成后，將該過程進行記錄，然后利用批處理的方式對其進行處理，得到亮度、對比度符合要求的影像。對于影像的色差，則采用勻光勻色軟件進行。利用航天遠景的易拼圖（EPT）軟件，完成影像的勻光勻色處理。首先選擇一幅參考影像，參考影像的選擇要具備代表性、地物類型豐富。然后將待處理的影像加載到軟件中，設置參考影像和勻光方法，選擇輸出格式，完成影像的勻光勻色，具體設置如圖3 所示。

圖3 勻光勻色參數(shù)設置

2.4 軟件組合使用

目前傾斜攝影測量解算軟件較多，如PhotoScan（下文簡稱PS）、ContextCapture（下文簡稱CC）、中測智繪的Mirauge3D（下文簡稱M3D）、大疆的大疆智圖（DJI Terra）、航天遠景的Virtuoso3D、上海瞰景的Smart3D 等，各軟件均有優(yōu)劣勢，組合使用，可以發(fā)揮軟件的各自優(yōu)勢，對數(shù)據(jù)解算來說，成功率和效率均會有明顯提升。軟件的組合使用屬于優(yōu)化后，優(yōu)化前是指僅使用CC 軟件進行數(shù)據(jù)解算，優(yōu)化后的所耗時長是兩款軟件共用時長。

2.4.1 PS 與CC 軟件組合使用

在實際作業(yè)中，將PS 軟件和CC 軟件組合使用，可以有效提升空三的解算成功率。PS 軟件具備海量數(shù)據(jù)解算的能力，但是其用于實景三維模型生產(chǎn)的話，沒有任何優(yōu)勢，劣勢較多，因此一般只用來進行空三加密的解算。對于CC 軟件解算不過的數(shù)據(jù)，使用PS 基本上都可以快速完成，并且其精度良好。在作業(yè)過程中，首先用PS對數(shù)據(jù)進行解算，然后將其解算得到的空三成果，輸出為通用格式XML，然后將其導入到CC 軟件中，利用CC軟件進行平差調(diào)整，然后進行后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)。該組合可以提升空三的解算效率和精度，對于數(shù)據(jù)處理人員來說，該方法很實用。

2.4.2 M3D 與CC 軟件組合使用

M3D 對于傾斜攝影測量來說，其主要的作用就是快速獲取比較準確的影像外方位元素。M3D 軟件精度一般，但是其數(shù)據(jù)解算成功率高，不易失敗，因此常被用來進行對POS 數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。首先利用該軟件，得到精度較低、帶有外方位元素的影像POS 數(shù)據(jù)，然后將其導出通用的XML 格式，然后導入CC 軟件中。該軟件較PS 來說，其加密點可以根據(jù)需求進行抽稀，因此數(shù)據(jù)量再大，也可以進行抽稀輸出，確保在導入CC 軟件時，不會因內(nèi)存溢出而導致建模失敗。

3 統(tǒng)計分析

為了確保本文提出的方案具有通用性，以不同類型的項目對提出的多個方案進行驗證，并對驗證結(jié)果進行統(tǒng)計，統(tǒng)計情況見表1。表中空三成果是否可用按照“是”、“否”填寫，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 中的情況統(tǒng)計結(jié)果來看，采用本文的方案對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，其空三解算成果均可用。從空三成果精度來看，優(yōu)化后的空三精度普遍要比優(yōu)化前的高。在空三解算時長方面來說，部分優(yōu)化后的空三耗時要比優(yōu)化前的多，但是相比優(yōu)化前來說，其成果是可用的，表明本文的優(yōu)化方案是可行的。

表1 不同方案優(yōu)化前后結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié)論

本文針對傾斜攝影空中三角測量解算容易出現(xiàn)分層、彎曲、失敗率高的問題，提出一些切實可行的方案。主要從相機參數(shù)、POS 數(shù)據(jù)、影像質(zhì)量和軟件組合使用四個方面進行分析，并給出相應的優(yōu)化方案。以實際項目為例，對優(yōu)化前后的結(jié)果進行對比分析。通過多組實驗驗證可以表明：本文提出的優(yōu)化方案，在一定程度上，可以提升空三的解算效率和成功率，對于傾斜攝影數(shù)據(jù)解算來說，具有非常實用的借鑒意義。