基于Context Capture Center對(duì)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(guò)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(duì)于三維建模來(lái)說(shuō)，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(shí)際的工作需求。在保證航拍精度的同時(shí)，基于航拍攝影的技術(shù)，傾斜航拍攝影無(wú)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用空中三角測(cè)量計(jì)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(duì)于測(cè)量計(jì)算物體的空間坐標(biāo)、長(zhǎng)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(qiáng)等特點(diǎn)。所以，使用無(wú)人機(jī)傾斜航拍攝影對(duì)三維建模具有重要及推廣性。

1 工程概況

秘魯某水工項(xiàng)目涵蓋了碼頭、陸域回填、山體爆破以及防波堤等分項(xiàng)項(xiàng)目，目前常規(guī)的施測(cè)方法有野外測(cè)算方法、實(shí)地RTK或者全站儀量測(cè)等方式。對(duì)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(cè)精度不穩(wěn)定等弊端，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量成果錯(cuò)誤而對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)不能達(dá)到預(yù)期的進(jìn)度要求。所以，基于近幾年的無(wú)人機(jī)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(duì)成熟，施測(cè)精度以及工作效率都得到了飛躍式提高，彌補(bǔ)了以往施測(cè)難度大、效率低、成圖慢等因素造成的施工進(jìn)度延期，極大提高了測(cè)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(cè)航拍攝影的區(qū)域，并按照相應(yīng)密度的像控點(diǎn)進(jìn)行地形布設(shè)并信息采集，本文使用絕對(duì)精度為MPE±0.02 mm 的手持移動(dòng)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(diǎn)，務(wù)求使得像控點(diǎn)采集精度在允許范圍內(nèi)。使用多旋翼無(wú)人機(jī)作為飛機(jī)航攝平臺(tái)，規(guī)劃好無(wú)人機(jī)的航測(cè)路線、航測(cè)的縱向及橫向的攝影重疊率、航測(cè)高度及鏡頭曝光度等參數(shù)信息［3］?；贑ontext Capture Center Engine 軟件平臺(tái)進(jìn)行照片的POS 信息改正，點(diǎn)云的生成以及空間三維信息的改正等進(jìn)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(duì)實(shí)際的三維空間信息數(shù)據(jù)計(jì)算中誤差，得出三維模型的精度誤差范圍，如精度達(dá)到國(guó)家規(guī)范的測(cè)量等級(jí)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(zhǎng)的防波堤作為傾斜攝影的拍攝對(duì)象，在施工現(xiàn)場(chǎng)均勻地布設(shè)7個(gè)航拍地面像控點(diǎn)，利用多旋翼無(wú)人機(jī)作為航拍工具，進(jìn)行實(shí)景三維模型的制作。航拍無(wú)人機(jī)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(jī)區(qū)域及相機(jī)曝光參數(shù)等信息，原則來(lái)說(shuō)航向及旁向重疊率均為80%能拼接到最好的三維影像圖，過(guò)多的重疊率會(huì)使得點(diǎn)云模型錯(cuò)亂使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)少的重疊率會(huì)缺少準(zhǔn)確的計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，造成局部失真現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)使得模型不能使用而導(dǎo)致航拍攝影重新進(jìn)行［4］。在完成物體垂直入射圖片采集后，就要進(jìn)行物體的前后左右4 個(gè)方向在45°進(jìn)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(wú)人機(jī)拍攝。在用地面上布設(shè)好的7 個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)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(wú)誤后，即可進(jìn)行戶外傾斜航拍攝影，如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)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(diǎn)三維數(shù)據(jù)作為整個(gè)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(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)差分，得到相對(duì)對(duì)齊模型，然后再利用現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的像控點(diǎn)進(jìn)行圖形選點(diǎn)刺點(diǎn)，對(duì)整個(gè)圖形進(jìn)行強(qiáng)制三維圖形對(duì)齊，完成后生成空三計(jì)算模型及報(bào)告。通過(guò)匹配后的圖形數(shù)據(jù)生成密度極高的點(diǎn)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(guò)糾正、改正局部錯(cuò)誤點(diǎn)云參數(shù)，最后生成實(shí)景三維影像模型及正射影像圖［5］，如圖3所示。

圖3 實(shí)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(shí)景三維模型精度及誤差分析

3.1 測(cè)量精度分析

檢查三維模型的空間三維精度的意義在于實(shí)景三維模型的測(cè)量值與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值來(lái)做比對(duì)。在三維模型中抽取一定數(shù)量的特征點(diǎn)作為比對(duì)值，來(lái)檢查三維模型的平面精度、高程精度以及相對(duì)長(zhǎng)度精度。所選擇的特征點(diǎn)要對(duì)三維模型有代表性的點(diǎn)，一般會(huì)選擇地形起伏較大，有明顯及對(duì)比性的點(diǎn)［6］。利用GPS RTK 采集到的WGS84 坐標(biāo)系對(duì)比點(diǎn)和當(dāng)?shù)貦E球高程信息對(duì)照三維模型所選的特征點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)分析，得出兩者之間的中誤差來(lái)計(jì)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(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行精度比對(duì)，如表1所示。

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

利用生成曲線圖的走勢(shì)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(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范的精度要求。利用對(duì)比實(shí)測(cè)三維數(shù)據(jù)的方法來(lái)驗(yàn)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(diǎn)之間長(zhǎng)度的中誤差差值，檢驗(yàn)三維模型圖距離與實(shí)測(cè)距離的長(zhǎng)度較差。

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

3.2 誤差分析

3.2.1 影像分辨率

無(wú)人機(jī)航攝受外界天氣條件影響較大，風(fēng)速突變就會(huì)改變飛行的姿態(tài)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)不平穩(wěn)，陰霾就會(huì)使拍攝的照片模糊，相片清晰度不夠、點(diǎn)云獲取信息有誤等影響，直接會(huì)對(duì)圖形后處理產(chǎn)生很嚴(yán)重的影像［1］。而且受航拍機(jī)本身的設(shè)置，如飛機(jī)高度、重疊率、曝光信息、鏡頭參數(shù)等條件制約，也會(huì)對(duì)圖形產(chǎn)生精度影響。所以，優(yōu)化飛行機(jī)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(duì)于傾斜航拍攝影，拍攝物體不能完全采集到信息，就會(huì)制約空三加密計(jì)算產(chǎn)生計(jì)算誤差。在對(duì)空三加密成圖過(guò)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(huì)對(duì)空三加密產(chǎn)生錯(cuò)誤的信息計(jì)算，導(dǎo)致圖形的獲取數(shù)據(jù)存在缺失或者過(guò)多的粗差計(jì)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(huì)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(duì)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(duì)糾正，通過(guò)人工干擾的方式提高空三計(jì)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(diǎn)的布設(shè)密度、布設(shè)方式及采集像控信息的方式。像控點(diǎn)密度過(guò)于稀疏，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圖形模型發(fā)送畸變，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)局部扭曲現(xiàn)象。像控點(diǎn)布設(shè)的方式對(duì)精度也有極大關(guān)系，像控點(diǎn)如果均勻布設(shè)在被攝物體的周邊往往會(huì)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(diǎn)，這種布設(shè)方法會(huì)使得精度達(dá)不到保證，生成的影像圖外圍可能會(huì)出現(xiàn)圖形扭曲甚至發(fā)生畸變［9］。像控點(diǎn)的信息采集方法一般使用GPS RTK 進(jìn)行信息采集，但是在采集信息的過(guò)程中如果遇到衛(wèi)星信號(hào)不強(qiáng)、電離層干擾、外界受強(qiáng)無(wú)線電信號(hào)影響或者手持GPS移動(dòng)站沒有氣泡居中等因素也會(huì)造成像控點(diǎn)的精度達(dá)不到要求。所以對(duì)于像控點(diǎn)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(diǎn)的信息精度提到最高。

4 影像三維模型的實(shí)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(dòng)態(tài)觀測(cè)，而且還可以直接提取物體的坐標(biāo)信息、長(zhǎng)度信息以及面積計(jì)算、土石方方量計(jì)算等快捷操作［4］。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，作業(yè)人員不再需要繁瑣地實(shí)地去用常規(guī)測(cè)量?jī)x器采集物體的坐標(biāo)信息，而直接可以在三維模型中點(diǎn)取獲得高精度的三維信息。也不需要用測(cè)量?jī)x器去量取物體的長(zhǎng)度以及長(zhǎng)度兩點(diǎn)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(tái)上任意量取所需的長(zhǎng)度及高差信息。

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

在測(cè)繪行業(yè)中，往往需要計(jì)算物體的面積和體積進(jìn)行相關(guān)的工程量計(jì)量，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行編制以及策劃相關(guān)方案，這時(shí)三維模型就能起到絕對(duì)性的作用。以往測(cè)量物體的面積及體積往往需要使用常規(guī)的測(cè)量?jī)x器先把物體的三維信息進(jìn)行采集，再用其他計(jì)算軟件進(jìn)行面積及方量計(jì)算。這種常規(guī)的方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且工作強(qiáng)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(jìn)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(tái)Context Capture Center 上進(jìn)行量取所需的面積，大大提高工作效率及計(jì)算精度。在計(jì)算體積過(guò)程中，還能修改計(jì)算物體的邊界采樣間距，體積計(jì)算的目標(biāo)高程，能夠直觀地計(jì)算物體的周長(zhǎng)、面積、欠挖體積，超挖體積，提高了作業(yè)人員體積計(jì)算的精度以及工作效率。以往的體積計(jì)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(jì)算成果過(guò)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(jì)算物體的體積。以圖6為例，計(jì)算邊界采樣間距為0.5 m，計(jì)算目標(biāo)高程為3 m為基準(zhǔn)計(jì)算超挖及回填土方量。

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

從三維模型計(jì)算結(jié)果中可以得知，所框選的計(jì)算范圍周長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果，大大提高了工作效率及計(jì)算精度，使得工程技術(shù)人員減低工作量而且對(duì)施工進(jìn)度起到?jīng)Q策性作用。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著測(cè)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(dòng)態(tài)觀測(cè)等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在水利水電工程、市政工程、鐵路公路工程、房建工程等多個(gè)行業(yè)都能得到充分的發(fā)展應(yīng)用，也彌補(bǔ)了測(cè)繪行業(yè)中外業(yè)工作強(qiáng)度大、效率低、功效慢等缺點(diǎn)，促進(jìn)了整個(gè)測(cè)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(cè)高新技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。