基于人工傾斜攝影測量的微地形三維建模方法探析

伍水珍

廣西壯族自治區(qū)自然資源調(diào)查監(jiān)測院 廣西 南寧 530023

1 人工傾斜攝影測量的主要技術(shù)應(yīng)用

從目前的應(yīng)用情況來看，傾斜攝影測量技術(shù)主要用于一些大比例尺地形圖繪制、市政設(shè)施施工測量、區(qū)域三維模型搭建等環(huán)節(jié)。以大比例尺地形圖為例，此類圖形主要是指比例尺在1∶500—1∶5000的地形圖，這些圖紙?jiān)诔鞘幸?guī)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、市政項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中，提供非常重要的應(yīng)用資料。而這些資料在應(yīng)用中的精準(zhǔn)度要求較高，需要借助實(shí)測的方式來采集數(shù)據(jù)。傾斜攝影測量技術(shù)的順利融入，能夠根據(jù)實(shí)際需求在較大范圍內(nèi)利用無人機(jī)的靈活性來完成完整數(shù)據(jù)采集，隨后借助三維建模軟件來完成參數(shù)整理，這也在原有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了搭建模型的精準(zhǔn)度，同時(shí)也可以加快模型構(gòu)件速度，提高所建立模型應(yīng)用結(jié)果的時(shí)效性。需要注意的是，在人工傾斜攝影測量過程中，也需要做好同向重合、旁向重合、飛行高度等參數(shù)的控制，這也是確保技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量的重要保障。

2 微地形三維建模要點(diǎn)分析

2.1 做好相機(jī)校驗(yàn)工作

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，可用于測量的相機(jī)包括非測量相機(jī)、專用測量相機(jī)。專用測量相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)比較固定，可以根據(jù)所需飛行高度、測量精度要求來進(jìn)行選擇。部分微地形三維建模活動(dòng)中，也會(huì)使用到非測量相機(jī)，如普通數(shù)碼相機(jī)，這類相機(jī)在應(yīng)用中，受到物點(diǎn)、像點(diǎn)干擾，無法與投影中心保持在一條線上，這樣會(huì)導(dǎo)致圖像表現(xiàn)出畸變的情況，即所獲取到的圖像無法對其像位進(jìn)行直接求解，影響到后續(xù)活動(dòng)的進(jìn)行。對此需要在工作開始前，對相機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行審核，具體審核內(nèi)容如下：①分辨率，基于微地形三維建模所需，相機(jī)分辨率不能低于600；②焦距，考慮到采集數(shù)據(jù)的清晰度，所選相機(jī)的焦距應(yīng)控制在15mm以上；③徑向畸變參數(shù)，結(jié)合地區(qū)實(shí)際應(yīng)用需求，該參數(shù)應(yīng)控制在1.23×10-8以上，同時(shí)切向畸變參數(shù)也需控制在-1.23×10-5以上，借此來提高所采集影像參數(shù)的精準(zhǔn)度和可靠性[1]。

2.2 合理選擇建模軟件

在模型構(gòu)建過程中，也需要對建模軟件進(jìn)行合理選擇，從目前的使用情況來看，經(jīng)常使用到的建模軟件如下：①Pix4D mapper軟件，此軟件的應(yīng)用體系歸類到中等，而且能夠輸出的模型格式種類相對較少，而模型的精細(xì)程度和操作難易程度保持中等，但是后續(xù)需要完成的工作量較多。②Photo Scan軟件，此軟件的應(yīng)用體系歸類到較輕，而且能夠輸出的模型格式種類相對較少，而模型的精細(xì)程度保持中等，但操作難易程度較低，非常便于進(jìn)行操作，而后續(xù)所需要完成的處理工作總量處于較大狀態(tài)。③Smart3D軟件，此軟件的應(yīng)用體系歸類到較重，而且能夠輸出的模型格式種類比較豐富，而模型的精細(xì)程度處于較高狀態(tài)，但操作難易程度處于最高狀態(tài)，需要匹配專業(yè)人員進(jìn)行操作，但是后續(xù)所需要完成的處理工作總量最少。具體選擇哪一類建模軟件也需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行篩選，以滿足相應(yīng)的建模要求。④MODO系列軟件，該軟件融合了多項(xiàng)高級技術(shù)，如N-gons、多層次3D繪畫等，借此來滿足3D建模、渲染、雕刻等工作，一般會(huì)用于效果圖的制作，具有一定的操作難度，需要匹配相應(yīng)專業(yè)能力人員，確保最終的成型質(zhì)量。

2.3 梳理模型構(gòu)建流程

完成軟件梳理工作后，也需要遵循模型構(gòu)建流程，以Smart3D軟件為例，具體內(nèi)容如下：利用軟件來完成原始數(shù)據(jù)特征提取處理，基于特征點(diǎn)來對照片間位置與角度之間的關(guān)系進(jìn)行梳理，利用系統(tǒng)來對匹配過程的錯(cuò)誤點(diǎn)進(jìn)行去除，借此來完成地表模型的建設(shè)工作。隨后利用人工導(dǎo)入的方式來完成四角坐標(biāo)的梳理，同時(shí)利用試驗(yàn)來完成坐標(biāo)系的建設(shè)。在控制點(diǎn)設(shè)置過程中，需要將影像信息與點(diǎn)位坐標(biāo)順利關(guān)聯(lián)在一起，對其進(jìn)行空三加密處理，利用立體測圖技術(shù)對其進(jìn)行處理，獲取到滿足實(shí)際大小需求的微地形模型。為了提升模型處理結(jié)果的精準(zhǔn)性，也需要加入比例因子來進(jìn)行設(shè)置，對其再次進(jìn)行加密處理，進(jìn)而提高地表模型分析結(jié)果的可靠性。另外，在模型構(gòu)建過程中，也需要做好各環(huán)節(jié)的精度控制，以確保最終成圖效果的可靠性。

2.4 模型精度的評價(jià)

完成上述工作后，需要進(jìn)行模型精度評價(jià)工作，借助機(jī)械方法來完成地表微地形的數(shù)據(jù)測量，以獲取的測量值來作為真實(shí)值，并且利用ATP方法來校核模型的可靠性，以滿足精度評定的相關(guān)要求。一般情況下，會(huì)將中誤差來作為精度的評價(jià)指標(biāo)，所計(jì)算結(jié)果的中誤差數(shù)值越小，其對應(yīng)模型精準(zhǔn)度越高。在具體評估過程中，以地表模型上的標(biāo)注點(diǎn)坐標(biāo)來作為相應(yīng)的觀測值，將得到的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為真值進(jìn)行計(jì)算，分別在x、y 和z 方向上對于數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，以此來科學(xué)評估具體的坐標(biāo)精度，起到評估模型精度的作用。而且借助ATP方法來對模型應(yīng)用過程進(jìn)行評價(jià)時(shí)，可以借助實(shí)測鐵框內(nèi)填充數(shù)據(jù)，來對基礎(chǔ)模型參數(shù)進(jìn)行梳理，從而提高評估結(jié)果的實(shí)用性。另外，借助相關(guān)參數(shù)信息也可以在某一因素出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，對于其精度變形規(guī)律進(jìn)行梳理，從而更快地完成精度分析，以滿足模型應(yīng)用過程的相關(guān)要求。

3 微地形建模優(yōu)化處理措施

3.1 搭建微地形模型

在ATP方法應(yīng)用背景下，為了對已有模型進(jìn)行更良好的優(yōu)化處理，可以結(jié)合要求來搭建微地形模型，在模型中也需要注意以下內(nèi)容：為了更好地完成模型整理，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對一些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建立，如建立10-15組地表模型，這些模型在應(yīng)用中都需要確保地表應(yīng)用內(nèi)容的完整性，并且也需要確保地形紋理內(nèi)容的一致性，這也為后續(xù)精度分析工作的開展奠定基礎(chǔ)。而模型精度校驗(yàn)過程中的最理想方式，則是對應(yīng)用模型中的各點(diǎn)三維坐標(biāo)，以及真實(shí)地標(biāo)的三維坐標(biāo)來進(jìn)行整理，也需要考慮到不同設(shè)備或軟件應(yīng)用過程的制約條件，以此為基礎(chǔ)來完成坐標(biāo)誤差計(jì)算，起到了校核模型精準(zhǔn)度的作用。除此之外，在搭建微地形模型時(shí)，也需要做好模型參數(shù)的分類存儲，并且也需要做好屬性數(shù)據(jù)備注，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)的提取和查詢，提高所整理數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 進(jìn)行模型精度控制

在開展模型精度控制環(huán)節(jié)中，需要從以下幾方面展開：①在模型評估過程中，需要將樣點(diǎn)平面坐標(biāo)點(diǎn)和高程坐標(biāo)點(diǎn)，直接放置在同一地形模型中進(jìn)行對比，借助低分辨率相機(jī)來對其進(jìn)行拍攝，以得到可靠的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。②在模型樣點(diǎn)和實(shí)際檢測點(diǎn)坐標(biāo)展開分析結(jié)算時(shí)，需要對坐標(biāo)在x、y、z 方向上的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行梳理，從而明確坐標(biāo)相互間的相關(guān)性。在關(guān)系梳理過程中，需做好變量的選擇工作，從而提高分析結(jié)果的可靠性。③按要求來進(jìn)行實(shí)測與模擬數(shù)值之間中誤差的優(yōu)化計(jì)算，包括平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)兩組數(shù)值的計(jì)算。在計(jì)算過程中，會(huì)使用到云計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，對于多組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，從而提高計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度，滿足后續(xù)應(yīng)用需求。

3.2.1 進(jìn)行相關(guān)性梳理。根據(jù)已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)信息，按要求計(jì)算x、y、z 方向上模型系數(shù)和實(shí)測系數(shù)，結(jié)合以往得到的數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)可以了解到，已有模型得到的三維坐標(biāo)和實(shí)際測試過程中所得到坐標(biāo)信息的系數(shù)范圍在0.900000-0.999995，在x 方向上系數(shù)范圍在0.999805-0.999995，y 方向上系數(shù)范圍在0.999971-0.999995，z 方向上系數(shù)范圍在0.900000-0.997935。這樣也表示模型相互之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，x、y方向的相關(guān)系數(shù)一般會(huì)超過z方向上的數(shù)據(jù)參數(shù)。結(jié)合控制變量原則，可以得到以下分析規(guī)律：①可以根據(jù)不同分辨率的相機(jī)來建立相匹配的分析系數(shù)，而系數(shù)之間的大小關(guān)系為高分辨率＞中分辨率＞高低分辨率；②在不同模型拍攝高度影響下，其相關(guān)系數(shù)關(guān)系如下：0.5m＞1.0m＞1.5m；③在分析過程中，由于拍攝過程中的路徑差異性較大，那么此時(shí)系數(shù)間的關(guān)系為常規(guī)路徑＞O形路徑[2]。④所有整理的數(shù)據(jù)也會(huì)進(jìn)行集中存儲，做好屬性標(biāo)記工作，為后續(xù)數(shù)據(jù)追溯工作的進(jìn)行提供參考。

3.2.2 平面中誤差控制。在平面精度的評估過程中，為了更好地完成評定工作，可以通過組建實(shí)驗(yàn)的方式來進(jìn)行測定，如可以將10cm作為間隔，借此來進(jìn)行 x 方向的中誤差計(jì)算，而且在對y方向上進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)，也可以將10cm作為間隔，以此來完成中誤差數(shù)據(jù)的計(jì)算。并且在計(jì)算過程中，也會(huì)按要求進(jìn)行中誤差數(shù)值和最小中誤差數(shù)值的計(jì)算，隨后將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，進(jìn)行整體分析數(shù)據(jù)的整理?；谝酝胤治鰯?shù)據(jù)可以了解到，相機(jī)分辨率越高，其對應(yīng)的中誤差數(shù)值越小，即拍攝高度為0.5m時(shí)，其誤差數(shù)值最小，而拍攝高度為1.5m時(shí)，其誤差數(shù)值最大。并且在y值不斷增大的情況下，所建立的微地形模型中，數(shù)值在x方向上的中誤差數(shù)值變化幅度并不明顯，但是此時(shí)在x 方向上所對應(yīng)中誤差值也會(huì)呈現(xiàn)出凸態(tài)，隨后誤差值也會(huì)不斷增加，從而增加誤差產(chǎn)生的偏差值。但是x軸上偏離值與y軸上的中誤差波動(dòng)間關(guān)聯(lián)性較弱，并不具備明顯的關(guān)聯(lián)性。

3.2.3 高程中誤差控制。在高程精度的評估過程中，為了更好地完成評定工作，可以通過組建實(shí)驗(yàn)的方式來進(jìn)行測定，如可以將10cm作為間隔，借此來進(jìn)行 Z方向的中誤差計(jì)算。并且在計(jì)算過程中，也會(huì)按要求進(jìn)行中誤差數(shù)值和最小中誤差數(shù)值的計(jì)算，隨后將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，進(jìn)行整體分析數(shù)據(jù)的整理?；谝酝胤治鰯?shù)據(jù)可以了解到，模型精度的評估，在很大程度上都會(huì)影響到高程內(nèi)容的計(jì)算精度，高程精度越高，相對應(yīng)模型精度也越高。并且在x值不斷增大的情況下，所建立的微地形模型中，數(shù)值在z方向上的中誤差數(shù)值變化幅度也開始增加，此時(shí)在z方向上所對應(yīng)中誤差值也會(huì)呈現(xiàn)出凸態(tài)，增加誤差產(chǎn)生的偏差值。但是x軸上偏離值與z軸上的中誤差波動(dòng)間關(guān)聯(lián)性較弱，并不具備明顯的關(guān)聯(lián)性。另外，在應(yīng)用中z軸變化也會(huì)對模型關(guān)聯(lián)性形帶來影響，這也是需要進(jìn)一步展開分析的內(nèi)容。在所有分析活動(dòng)中，需要確定變量的單一性，并且建立相對理想的分析環(huán)境，這樣可以更好的分析參數(shù)相關(guān)性，滿足相應(yīng)的使用要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，采用人工傾斜攝影測量方法建立顯微攝影三維高精度數(shù)值模型是科學(xué)可行的，通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型分析，可以有效地反映數(shù)據(jù)真實(shí)的有效性，提高測量的精度精準(zhǔn)性，并廣泛適用于顯微攝影和大規(guī)模數(shù)碼卡的制作。用1∶1比例尺測量微地形中高誤差應(yīng)小于2.5mm，采用了無人機(jī)人工交換技術(shù)，能夠快速獲取地面影像資料，實(shí)現(xiàn)大型3D模型接近真實(shí)1∶1，節(jié)省了無人機(jī)采購成本，無須考慮其耐久性，大大降低了三維建模的成本，具備了良好的應(yīng)用推廣價(jià)值[3]。