基于Context Capture Center對傾斜航拍攝影三維建模的應(yīng)用

梁福源

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0 引言

航拍攝影技術(shù)經(jīng)過這幾年的技術(shù)發(fā)展與推廣，相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是對于三維建模來說，常規(guī)的航拍攝影技術(shù)生成的正射影像圖顯然滿足不了實際的工作需求。在保證航拍精度的同時，基于航拍攝影的技術(shù)，傾斜航拍攝影無疑是最好的技術(shù)支撐。采用傾斜航拍攝影技術(shù)，收集重密度的點云數(shù)據(jù)，利用空中三角測量計算技術(shù)，生成的TIN 模型直接生成高精度紋理三維地形圖，能全方位直觀地呈現(xiàn)出正射影像圖、DEM 以及三維影像模型［1］。對于測量計算物體的空間坐標(biāo)、長度、面積、體積能高效高精準(zhǔn)地完成，具有工作效率高、使用成本低、全天候、適用性強等特點。所以，使用無人機傾斜航拍攝影對三維建模具有重要及推廣性。

1 工程概況

秘魯某水工項目涵蓋了碼頭、陸域回填、山體爆破以及防波堤等分項項目，目前常規(guī)的施測方法有野外測算方法、實地RTK或者全站儀量測等方式。對于以上幾種方法，存在工作效率慢、出圖工作量大、受外界影響高、以及量測精度不穩(wěn)定等弊端，會導(dǎo)致測量成果錯誤而對施工現(xiàn)場不能達(dá)到預(yù)期的進度要求。所以，基于近幾年的無人機傾斜航拍技術(shù)的發(fā)展與推廣，相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，施測精度以及工作效率都得到了飛躍式提高，彌補了以往施測難度大、效率低、成圖慢等因素造成的施工進度延期，極大提高了測繪行業(yè)的高新技術(shù)的發(fā)展［2］。

2 傾斜航拍攝影步驟

2.1 工作流程

首先要規(guī)劃施測航拍攝影的區(qū)域，并按照相應(yīng)密度的像控點進行地形布設(shè)并信息采集，本文使用絕對精度為MPE±0.02 mm 的手持移動站G1-PLUS，利用常規(guī)的人工地面撒粉標(biāo)記十字形作為地面像控點，務(wù)求使得像控點采集精度在允許范圍內(nèi)。使用多旋翼無人機作為飛機航攝平臺，規(guī)劃好無人機的航測路線、航測的縱向及橫向的攝影重疊率、航測高度及鏡頭曝光度等參數(shù)信息［3］?；贑ontext Capture Center Engine 軟件平臺進行照片的POS 信息改正，點云的生成以及空間三維信息的改正等進行參數(shù)處理，最后生成正射影像圖及三維航拍模型。利用生成后的三維模型數(shù)據(jù)比對實際的三維空間信息數(shù)據(jù)計算中誤差，得出三維模型的精度誤差范圍，如精度達(dá)到國家規(guī)范的測量等級要求，那么三維模型精度可行?？傮w工作流程如圖1所示。

圖1 傾斜航拍攝影生成三維模型工作流程Fig.1 The Workflow of Generating 3D Model from Oblique Aerial Photography

2.2 傾斜航拍攝影外業(yè)準(zhǔn)備工作

本文以230 m長的防波堤作為傾斜攝影的拍攝對象，在施工現(xiàn)場均勻地布設(shè)7個航拍地面像控點，利用多旋翼無人機作為航拍工具，進行實景三維模型的制作。航拍無人機的控制器要設(shè)置好飛行的航向、旁向的重疊率、飛行高度、飛行速度、飛機區(qū)域及相機曝光參數(shù)等信息，原則來說航向及旁向重疊率均為80%能拼接到最好的三維影像圖，過多的重疊率會使得點云模型錯亂使得點云數(shù)據(jù)計算時間過長，過少的重疊率會缺少準(zhǔn)確的計算點云數(shù)據(jù)，造成局部失真現(xiàn)象，嚴(yán)重的會使得模型不能使用而導(dǎo)致航拍攝影重新進行［4］。在完成物體垂直入射圖片采集后，就要進行物體的前后左右4 個方向在45°進行傾斜攝影照片信息采集，照片信息采集的角度設(shè)置盡可能避開物體間的遮擋，讓物體全方位都能被無人機拍攝。在用地面上布設(shè)好的7 個像控點進行信息采集，采集精度保持在MPE±0.02 mm。在以上工作全部檢查完畢無誤后，即可進行戶外傾斜航拍攝影，如圖2所示。

圖2 無人機垂直入射及多角度入射采集圖像示意圖Fig.2 Schematic Diagram of UAV Vertical Incidence and Multi-angle Incidence Images

2.3 圖形影像信息后處理

在使用RTK 采集到的像控點三維數(shù)據(jù)作為整個圖形的空間參數(shù)糾正。把采集到的圖片及POS 信息利用軟件Context Capture Center Engine 作為后處理平臺進行數(shù)據(jù)差分，得到相對對齊模型，然后再利用現(xiàn)場布設(shè)的像控點進行圖形選點刺點，對整個圖形進行強制三維圖形對齊，完成后生成空三計算模型及報告。通過匹配后的圖形數(shù)據(jù)生成密度極高的點云模型，構(gòu)建出三角網(wǎng)，生成TIN 模型，基于TIN 模型生成近地面的三維紋理圖形，通過糾正、改正局部錯誤點云參數(shù)，最后生成實景三維影像模型及正射影像圖［5］，如圖3所示。

圖3 實景三維模型后處理流程Fig.3 The Post-processing Flow Chart of the 3D Model of the Real Scene

3 實景三維模型精度及誤差分析

3.1 測量精度分析

檢查三維模型的空間三維精度的意義在于實景三維模型的測量值與實際現(xiàn)場實測值來做比對。在三維模型中抽取一定數(shù)量的特征點作為比對值，來檢查三維模型的平面精度、高程精度以及相對長度精度。所選擇的特征點要對三維模型有代表性的點，一般會選擇地形起伏較大，有明顯及對比性的點［6］。利用GPS RTK 采集到的WGS84 坐標(biāo)系對比點和當(dāng)?shù)貦E球高程信息對照三維模型所選的特征點進行比對分析，得出兩者之間的中誤差來計算出精度的誤差范圍是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。本文選取了5個特征點進行精度比對，如表1所示。

表1 中誤差差值比對Tab.1 Medium Error Difference Comparison

利用生成曲線圖的走勢可以看出，中誤差中平面位置N值最大的中誤差為0.024 m，平面位置E值最大中誤差為0.011 m，H 值最大的中誤差值為0.038 m，中誤差精度范圍完全滿足地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范的精度要求。利用對比實測三維數(shù)據(jù)的方法來驗證三維模型的三維信息精度是最有效而且是最直觀的方法，能直接表達(dá)出相互數(shù)據(jù)的中誤差差值［7］。由圖4 所示，平面位置的中誤差差值也可以直接反算出兩點之間長度的中誤差差值，檢驗三維模型圖距離與實測距離的長度較差。

圖4 中誤差差值比對曲線Fig.4 Medium Error Difference Comparison Curve

3.2 誤差分析

3.2.1 影像分辨率

無人機航攝受外界天氣條件影響較大，風(fēng)速突變就會改變飛行的姿態(tài)導(dǎo)致無人機不平穩(wěn)，陰霾就會使拍攝的照片模糊，相片清晰度不夠、點云獲取信息有誤等影響，直接會對圖形后處理產(chǎn)生很嚴(yán)重的影像［1］。而且受航拍機本身的設(shè)置，如飛機高度、重疊率、曝光信息、鏡頭參數(shù)等條件制約，也會對圖形產(chǎn)生精度影響。所以，優(yōu)化飛行機的參數(shù)設(shè)置，選擇最佳的天氣飛行拍攝能盡量地降低精度誤差產(chǎn)生的影響［2］。

3.2.2 圖形拍攝信息不完整

對于傾斜航拍攝影，拍攝物體不能完全采集到信息，就會制約空三加密計算產(chǎn)生計算誤差。在對空三加密成圖過程中，如遇到被攝物體存在局部遮擋、空缺或者模糊重影等現(xiàn)象，就會對空三加密產(chǎn)生錯誤的信息計算，導(dǎo)致圖形的獲取數(shù)據(jù)存在缺失或者過多的粗差計算，直接導(dǎo)致圖形的空三精度影響，后續(xù)生成的三維模型及正射影像圖的精度質(zhì)量就會大打折扣［8］。所以，在生成三維模型及正射影像圖之前，必須先對拍攝的照片及pos 信息預(yù)檢查，檢查是否都能照片間相互匹對糾正，通過人工干擾的方式提高空三計算精度質(zhì)量。

3.2.3 人為操作誤差

人為操作產(chǎn)生的誤差主要是像控點的布設(shè)密度、布設(shè)方式及采集像控信息的方式。像控點密度過于稀疏，就會導(dǎo)致整個圖形模型發(fā)送畸變，嚴(yán)重的會出現(xiàn)局部扭曲現(xiàn)象。像控點布設(shè)的方式對精度也有極大關(guān)系，像控點如果均勻布設(shè)在被攝物體的周邊往往會得到比較高的精度，如果只側(cè)重于布設(shè)被攝物體的內(nèi)部，而外圍缺少布設(shè)像控點，這種布設(shè)方法會使得精度達(dá)不到保證，生成的影像圖外圍可能會出現(xiàn)圖形扭曲甚至發(fā)生畸變［9］。像控點的信息采集方法一般使用GPS RTK 進行信息采集，但是在采集信息的過程中如果遇到衛(wèi)星信號不強、電離層干擾、外界受強無線電信號影響或者手持GPS移動站沒有氣泡居中等因素也會造成像控點的精度達(dá)不到要求。所以對于像控點的布設(shè)密度、方式及采集信息設(shè)備檢查都要事先做好規(guī)劃及檢查，將像控點的信息精度提到最高。

4 影像三維模型的實際應(yīng)用

利用高精度后處理生成好的數(shù)字化三維模型不但可以直觀地呈現(xiàn)出物體的整體輪廓，三維動態(tài)觀測，而且還可以直接提取物體的坐標(biāo)信息、長度信息以及面積計算、土石方方量計算等快捷操作［4］。在實際應(yīng)用的過程中，作業(yè)人員不再需要繁瑣地實地去用常規(guī)測量儀器采集物體的坐標(biāo)信息，而直接可以在三維模型中點取獲得高精度的三維信息。也不需要用測量儀器去量取物體的長度以及長度兩點之間的高差。如圖5所示，三維模型可直觀地在Context Capture Center軟件平臺上任意量取所需的長度及高差信息。

圖5 三維模型圖點取坐標(biāo)信息及兩點之間長度及高差Fig.5 Coordinate Information and Length and Height Difference between Two Points of 3D Model Map

在測繪行業(yè)中，往往需要計算物體的面積和體積進行相關(guān)的工程量計量，對施工進度進行編制以及策劃相關(guān)方案，這時三維模型就能起到絕對性的作用。以往測量物體的面積及體積往往需要使用常規(guī)的測量儀器先把物體的三維信息進行采集，再用其他計算軟件進行面積及方量計算。這種常規(guī)的方法不僅耗時費力，而且工作強度大，效率慢，精度低，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的工作效率及施工生產(chǎn)進度［10］。

三維模型能全天候不受外界條件影響，只需要在終端平臺Context Capture Center 上進行量取所需的面積，大大提高工作效率及計算精度。在計算體積過程中，還能修改計算物體的邊界采樣間距，體積計算的目標(biāo)高程，能夠直觀地計算物體的周長、面積、欠挖體積，超挖體積，提高了作業(yè)人員體積計算的精度以及工作效率。以往的體積計算成圖常以平面圖的形式呈現(xiàn)，三維模型能夠很好地取代平面圖的形式出圖，在檢查計算成果過程中能夠很好地?zé)o死角全方位三維體積查看，更直觀準(zhǔn)確地計算物體的體積。以圖6為例，計算邊界采樣間距為0.5 m，計算目標(biāo)高程為3 m為基準(zhǔn)計算超挖及回填土方量。

圖6 三維模型計算面積、周長及體積Fig.6 Calculated Area，Perimeter and Volume of the 3D Model

從三維模型計算結(jié)果中可以得知，所框選的計算范圍周長為96.289 m，面積為474.825 m2，開挖方量為612.025 m3，回填方量為29.329 m3。以這種直觀快捷的方式呈現(xiàn)計算結(jié)果，大大提高了工作效率及計算精度，使得工程技術(shù)人員減低工作量而且對施工進度起到?jīng)Q策性作用。

5 結(jié)語

隨著測繪行業(yè)高新技術(shù)日新月異的高速發(fā)展，傾斜航拍攝影三維建模高新技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在各行各業(yè)都已經(jīng)發(fā)揮著重要的作用。三維影像模型有著全天候性、高精度、全紋理、三維動態(tài)觀測等得天獨厚的優(yōu)勢，在水利水電工程、市政工程、鐵路公路工程、房建工程等多個行業(yè)都能得到充分的發(fā)展應(yīng)用，也彌補了測繪行業(yè)中外業(yè)工作強度大、效率低、功效慢等缺點，促進了整個測繪行業(yè)的高新技術(shù)的發(fā)展，傾斜航拍攝影三維建?？蔀榻窈蟮暮綔y高新技術(shù)發(fā)展提供強有力的支撐。