無(wú)人機(jī)傾斜攝影空中三角測(cè)量解算關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究

邵金鵬

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

近年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量建模技術(shù)發(fā)展迅速，“房地一體”“實(shí)景三維中國(guó)”以及大比例尺地形圖測(cè)繪等重大項(xiàng)目都在采用該技術(shù)，解決該技術(shù)目前存在的問(wèn)題，可以有效提升數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，保證項(xiàng)目順利完成。

針對(duì)傾斜攝影空中三角測(cè)量解算優(yōu)化，多數(shù)研究學(xué)者都是從如何獲取高質(zhì)量外業(yè)影像成果、怎樣提升內(nèi)業(yè)影像成果質(zhì)量入手[1-3]，很少有學(xué)者從軟件目前的算法入手，分析軟件解算數(shù)據(jù)的過(guò)程，針對(duì)解算過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

本文對(duì)傾斜攝影測(cè)量的原理、目前主流建模軟件和建模流程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)分析目前軟件空中三角測(cè)量存在的問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題提出相應(yīng)的解決方案，并通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化方案，可有效提升空中三角測(cè)量的通過(guò)率和成功率，有效提高數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，可為傾斜攝影測(cè)量建模相關(guān)作業(yè)人員提供有效參考。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模原理

傾斜攝影測(cè)量是相對(duì)于垂直攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)的，傳統(tǒng)的搭載單鏡頭進(jìn)行航空攝影測(cè)量作業(yè)的方式被稱(chēng)為垂直攝影測(cè)量；而同時(shí)搭載多鏡頭，從多角度獲取地面影像的方式被稱(chēng)為傾斜攝影測(cè)量[4]。垂直攝影測(cè)量一般可以直接獲取建構(gòu)筑物頂部信息；傾斜攝影測(cè)量除了可以直接獲取建構(gòu)筑物頂部信息外，其搭載的側(cè)視鏡頭可以獲取建構(gòu)筑物的側(cè)面紋理信息[5]，這為地物真實(shí)還原提供了保障。

在傾斜攝影測(cè)量建模里面，無(wú)人機(jī)通常搭載的相機(jī)有2 鏡頭相機(jī)和5 鏡頭相機(jī)，其中5 鏡頭相機(jī)搭載1 個(gè)下視鏡頭和4 個(gè)側(cè)視鏡頭，下視鏡頭與側(cè)視鏡頭呈45°夾角，側(cè)視鏡頭焦距一般是下視鏡頭的1.414倍，這樣能夠確保獲取的影像地面分辨率盡可能一致。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模軟件

建模軟件最著名的是Bentley的Context Capture（原Smart3D），目前使用人數(shù)最多的也是該款軟件。除了這款軟件外，常用到的建模軟件還有Pix4D、PhotoScan、Photomesh、Mirauge3D、重建大師、大疆智圖、瞰景的Smart3D等。這些軟件各自都有其特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，都是被用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)的。由于每個(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)不一樣，因此在處理有的數(shù)據(jù)時(shí)，需要多個(gè)軟件組合使用。就目前的軟件使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，單機(jī)處理數(shù)據(jù)效率最高的是大疆智圖，一次性處理影像數(shù)據(jù)最多的是瞰景的Smart3D和Mirauge3D，建模效果較好的是Context Capture、瞰景的Smart3D和大疆智圖。

1.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模工作主要分為外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作，外業(yè)工作主要有測(cè)區(qū)勘查、數(shù)據(jù)搜集、空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃、影像數(shù)據(jù)獲取和控制點(diǎn)坐標(biāo)采集；內(nèi)業(yè)工作主要有對(duì)外業(yè)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、工程建立、空中三角測(cè)量加密解算、控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺平差、多視影像密集匹配、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）、白膜生成、紋理自動(dòng)優(yōu)化映射、模型格式轉(zhuǎn)換輸出等。具體的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模流程

2 空中三角測(cè)量解算關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究

空中三角測(cè)量解算是整個(gè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中最為重要的一個(gè)步驟，也是無(wú)法人為干預(yù)的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于空中三角測(cè)量解算，本文從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使空中三角測(cè)量解算精度和成功率都得到提高。

2.1 數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題

數(shù)據(jù)冗余是指兩方面的冗余：一方面是傾斜攝影測(cè)量本來(lái)鏡頭多，且航向重疊度、旁向重疊度都在80%以上，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)量大；另一方面是無(wú)效影像的數(shù)據(jù)冗余，無(wú)效影像是指對(duì)建模效果不產(chǎn)生影響的影像，這些影像主要位于任務(wù)區(qū)的測(cè)區(qū)邊緣。在正常航空攝影測(cè)量作業(yè)中，為了保證測(cè)區(qū)邊緣生產(chǎn)的模型效果好，都會(huì)外擴(kuò)至少1 個(gè)航高，由于搭載的是5鏡頭，這樣就會(huì)獲取很多無(wú)效影像。這些無(wú)效影像的存在，一方面影響了空中三角測(cè)量解算的速度和效率；另一方面測(cè)區(qū)邊緣的影像重疊度相對(duì)較差，這增加了空中三角測(cè)量解算的失敗率。因此，解決數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，可以有效提升空中三角測(cè)量解算的效率和成功率。

結(jié)合5鏡頭安置位置和飛機(jī)飛行方向，可以很容易獲取測(cè)區(qū)邊緣的無(wú)效影像?；诖?，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用MATLAB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一款無(wú)效影像剔除軟件，可以有效剔除測(cè)區(qū)邊緣無(wú)效影像。

2.2 POS 數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)問(wèn)題

定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS） 數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)主要是指POS 數(shù)據(jù)位置和相機(jī)曝光位置不對(duì)應(yīng)。目前主流的5 鏡頭相機(jī)，在數(shù)據(jù)解算時(shí)，都采用下視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)來(lái)代替?zhèn)纫曠R頭的POS 數(shù)據(jù)，并沒(méi)有考慮鏡頭之間的安置關(guān)系，這不利于數(shù)據(jù)順利解算。

針對(duì)POS 數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)問(wèn)題，分析5 鏡頭之間的安置位置關(guān)系，可以準(zhǔn)確獲取4個(gè)側(cè)視鏡頭和1個(gè)下視鏡頭之間的安置位置關(guān)系。通過(guò)下視鏡頭，結(jié)合平臺(tái)檢校參數(shù)，采用MATLAB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一款5鏡頭POS數(shù)據(jù)解算軟件，分別計(jì)算得到4個(gè)側(cè)視鏡頭的POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)值。這樣使得POS數(shù)據(jù)和像片一一對(duì)應(yīng)，在數(shù)據(jù)解算的時(shí)候，有利于空中三角測(cè)量解算，也可以有效提高空中三角測(cè)量精度。

2.3 相機(jī)參數(shù)不精確問(wèn)題

目前已有的相機(jī)檢校場(chǎng)和檢校軟件，是針對(duì)垂直攝影測(cè)量設(shè)計(jì)的，其可以對(duì)下視鏡頭像片進(jìn)行精確數(shù)據(jù)解算。傾斜攝影測(cè)量由于側(cè)視鏡頭視場(chǎng)角變化大，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行精確數(shù)據(jù)解算。在數(shù)據(jù)解算時(shí)，都是輸入粗略的焦距，并不是精確的相機(jī)參數(shù)。通過(guò)垂直攝影測(cè)量數(shù)據(jù)解算可知，相機(jī)參數(shù)精確，有利于數(shù)據(jù)解算，因此，獲取精確的相機(jī)參數(shù)，可以有效提升傾斜攝影空中三角測(cè)量解算的效率和精度。

從相機(jī)參數(shù)優(yōu)化方面入手，可以在正式生產(chǎn)數(shù)據(jù)前，先用少量像片進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，并轉(zhuǎn)刺3~4個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行平差調(diào)整，得到精度合格的空中三角測(cè)量成果。此時(shí)的相機(jī)參數(shù)是已經(jīng)優(yōu)化后的，可以將此相機(jī)參數(shù)作為初始值，用來(lái)進(jìn)行正式數(shù)據(jù)解算。利用精確的相機(jī)參數(shù)，不但可以提高數(shù)據(jù)解算效率，而且可以提高數(shù)據(jù)解算精度，有利于提升空中三角測(cè)量加密成果質(zhì)量。

3 基于Smart3D軟件的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模

3.1 項(xiàng)目與任務(wù)區(qū)概況

本次項(xiàng)目為河湖確權(quán)項(xiàng)目，采用傾斜攝影測(cè)量完成地面分辨率優(yōu)于3 cm 的原始影像數(shù)據(jù)獲取。任務(wù)區(qū)寬300 m，長(zhǎng)約50 km，共獲取影像35 650 張。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照本文提到的方法，對(duì)獲取的影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)和相機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先，利用無(wú)效影像剔除軟件對(duì)原始影像進(jìn)行處理，剔除無(wú)效影像3 252 張；其次，采用5 鏡頭POS 數(shù)據(jù)解算軟件，結(jié)合下視鏡頭POS 數(shù)據(jù)，分別解算出4 個(gè)側(cè)視鏡頭的精確POS 數(shù)據(jù)；最后，利用300 張影像進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，并轉(zhuǎn)刺5 個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)平差調(diào)整，得到優(yōu)化后的精確相機(jī)參數(shù)。

3.3 工程建立

新建工程，加載有效影像32 398張，并導(dǎo)入解算后的POS 數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)填入優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)，設(shè)置任務(wù)路徑，便于后期集群進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。

3.4 空中三角測(cè)量解算及平差

在工程建立完成后，就需要進(jìn)行空中三角測(cè)量解算了。為了對(duì)比空中三角測(cè)量?jī)?yōu)化前后的效果，首先利用35 650 張影像和下視鏡頭的POS 數(shù)據(jù)整體進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，結(jié)果空中三角測(cè)量解算雖然未失敗，但是整個(gè)帶狀任務(wù)區(qū)呈現(xiàn)彎曲現(xiàn)狀，通過(guò)轉(zhuǎn)刺控制點(diǎn)及平差調(diào)整多次，彎曲現(xiàn)狀并未發(fā)生明顯變化，即優(yōu)化前的空中三角測(cè)量解算總體是失敗的，成果不可用。

按照本文的方法，對(duì)有效影像進(jìn)行解算，自由網(wǎng)空中三角測(cè)量一次性完成，空中三角測(cè)量整體呈水平狀態(tài)，成果可用。將控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺到空中三角測(cè)量中，并進(jìn)行平差調(diào)整，通過(guò)查看平差報(bào)告可知，空中三角測(cè)量精度質(zhì)量高，空中三角測(cè)量成果可用。較優(yōu)化前，不但成果可用，而且空中三角測(cè)量解算用時(shí)少，精度高，數(shù)據(jù)解算效率有了明顯的提升。

3.5 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

在空中三角測(cè)量完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。結(jié)合集群電腦的配置，設(shè)置合理的瓦片大小。本次集群電腦中配置最低的電腦內(nèi)存為32GB，因此在瓦片大小設(shè)置時(shí)，設(shè)置為120 m，預(yù)計(jì)需要內(nèi)存14 GB。這樣可以確保在建模過(guò)程中，可以一次性得到實(shí)景三維模型，降低瓦片重建的失敗率。導(dǎo)入任務(wù)區(qū)范圍線進(jìn)行實(shí)景三維模型輸出約束，提升實(shí)景三維模型輸出的可用率。

實(shí)景三維模型生產(chǎn)完成后，通過(guò)人機(jī)交互的方式查看任務(wù)區(qū)的測(cè)區(qū)邊緣的實(shí)景三維模型。任務(wù)區(qū)的測(cè)區(qū)邊緣的實(shí)景三維模型重建完整，質(zhì)量良好，說(shuō)明剔除無(wú)效影像未對(duì)實(shí)景三維模型質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.6 精度檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)

本次河湖確權(quán)項(xiàng)目，需要生產(chǎn)1∶500比例尺地形圖，因此對(duì)實(shí)景三維模型精度需要進(jìn)行檢測(cè)。采用同精度檢測(cè)方式，利用82 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)實(shí)景三維模型精度進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)可以得知，在82 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，平面最大較差為0.125 m，平面中誤差為±0.064 m，高程最大較差為0.213 m，高程中誤差為±0.071 m，成果精度符合1∶500 比例尺地形圖的測(cè)圖規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在傾斜攝影測(cè)量建模數(shù)據(jù)處理中，空中三角測(cè)量解算是最重要的一個(gè)步驟。本文分析了影響空中三角測(cè)量解算的3 個(gè)因素，并提出相應(yīng)的解決方案。以實(shí)際項(xiàng)目為例，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化前后的空中三角測(cè)量解算進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，采用本文的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化方案可有效提升傾斜攝影空中三角測(cè)量解算的效率和成功率，并未對(duì)實(shí)景三維模型質(zhì)量帶來(lái)影響，可以為同行的建模人員提供有效參考。