傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及前景分析

［關(guān)鍵詞］傾斜攝影測量；技術(shù)流程；應(yīng)用現(xiàn)狀；前景

傳統(tǒng)航空攝影的像片傾角不超2～3度，有助于正射糾正和立體測圖等操作，但將喪失地物側(cè)立面細(xì)節(jié)。而運(yùn)用傾斜攝影測量技術(shù)從多角度拍攝，依靠多傳感器完成地物信息全方位采集，能夠獲得三維立體信息，直觀反映不同地貌情況，近年來應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。但在傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用實踐中，建模過程可能受到多種因素影響，引發(fā)模型局部缺陷，所以想要反映地物外觀信息，需要獲取高精度三維模型。加強(qiáng)該技術(shù)應(yīng)用研究，探尋技術(shù)未來發(fā)展趨勢，能夠為相關(guān)工作提供參考。

1. 傾斜攝影測量技術(shù)流程

開展傾斜攝影測量工作，按流程需要先獲取影像數(shù)據(jù)，提前結(jié)合測量區(qū)域情況做好航線規(guī)劃，合理完成航空器飛行高度、重疊度等參數(shù)設(shè)置。將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D等軟件進(jìn)行處理，設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)，能夠自動完成數(shù)據(jù)空三處理，生成三維模型和實現(xiàn)數(shù)字正射影像（DOM）重建。采用三維實景模型處理系統(tǒng)（EPS）軟件進(jìn)行三維測圖，通過加載三維模型等完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠輕松獲得地面高程點(diǎn)等數(shù)據(jù)，完成模型矢量化處理，直接錄入地物屬性信息[1]。而無人機(jī)位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)是基于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)生成，地籍坐標(biāo)則為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)，需完成坐標(biāo)和空間轉(zhuǎn)換，確保界址點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠均勻分布，達(dá)到較高精度要求。針對測量成果需要展開精度分析，通過獲取特征點(diǎn)實測坐標(biāo)和地圖坐標(biāo)完成地物點(diǎn)在不同坐標(biāo)方向殘差值計算，并對平面和高程中誤差展開分析，驗證結(jié)果的可靠性。從總體上來看，傾斜攝影測量技術(shù)在測繪信息行業(yè)應(yīng)用流程大致相同，即包含傾斜攝影和三維建模兩個階段，但用于大比例尺測圖、工程測量、城市三維建模等不同領(lǐng)域，需要結(jié)合實際需求把握影像采集、建模等細(xì)節(jié)，通過優(yōu)化技術(shù)流程取得理想的應(yīng)用效果。

2. 傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 實例概況

實例為安徽某地區(qū)1∶500地形圖測繪項目，以測區(qū)地形測量為主，地面分布建筑物、林地、草地等地物。測區(qū)面積約1.5 km2，屬于淠河沖積平原，整體地勢相對平緩，起伏較少，可以開展無人機(jī)傾斜攝影測量工作。

2.2 航拍參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地形條件，選用大疆4Pro多旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。使用的航空器技術(shù)參數(shù)如表1所示，能夠垂直起降且操控簡單，適用于低空飛行。航拍系統(tǒng)由航空器、遙控器、飛控軟件、PC和云臺相機(jī)構(gòu)成，云臺能夠在-90°～±300°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。相機(jī)為24 mm的FOV84。鏡頭帶自動對焦f/2.8-f11，傳感器為CMOS，像素達(dá)到2000萬。為達(dá)到五鏡頭攝影效果，通過DJIGO4軟件完成環(huán)繞飛行模式設(shè)置，通過單點(diǎn)360°無死角拍攝完成地形地物傾斜攝影，角度達(dá)到-45°，選擇太陽高度角大于30°擇時進(jìn)行影像采集，保證光強(qiáng)的同時減少陰影[2]。將各圓形航線當(dāng)成一個點(diǎn)，按照設(shè)定飛行半徑進(jìn)行飛行和拍照，設(shè)定半徑超出高度20 m。而航拍高度為80 m，半徑為100 m，將航向重疊度設(shè)定為85%，旁向為80%，地面分辨率達(dá)到3 cm。

2.3 像控點(diǎn)布置

按照如圖1所示技術(shù)流程，完成相機(jī)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)檢查等前期操作后，需要采用GNSS-RTK技術(shù)確定像控點(diǎn)坐標(biāo)，完成數(shù)據(jù)編輯，得到刺點(diǎn)后進(jìn)行空中三角測量。根據(jù)現(xiàn)場勘探情況在公路等空曠區(qū)域布置像控點(diǎn)，考慮到建筑物較多需要采取網(wǎng)布點(diǎn)，按照航高、重疊率等確定相鄰像控點(diǎn)距離。在建筑密集區(qū)域布置非地標(biāo)點(diǎn)，完成航拍后對明顯地物點(diǎn)進(jìn)行判斷。在使用載波相位差分技術(shù)（RTK）測量像控點(diǎn)時，需要保證水準(zhǔn)氣泡處于正中位置，通過連測3次取平均值作為信號固定解，確保每次結(jié)果互差不超2cm[3]。共完成36 個像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，采用CGCS2000國家坐標(biāo)系統(tǒng)，完成27個像控點(diǎn)空三解算，利用剩余點(diǎn)完成模型精度檢驗。

2.4 模型構(gòu)建

對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，應(yīng)確認(rèn)拍攝的照片清晰，同時數(shù)量足夠。發(fā)現(xiàn)照片模糊、過暗等情況需及時補(bǔ)拍，針對少數(shù)照片色彩亮度低等情況利用Photoshop軟件完成勻色處理。利用野外控制點(diǎn)進(jìn)行空三測量，對控制點(diǎn)進(jìn)行加密，通過Context Capture軟件進(jìn)行加密點(diǎn)高程、位置分析，提供絕對定向控制點(diǎn)。利用軟件自動建模，將像片單束光線當(dāng)成平差單元進(jìn)行建模，利用共線方程完成平差運(yùn)算，對外方位元素進(jìn)行解算，獲得加密點(diǎn)地面坐標(biāo)，生成空三測量結(jié)果[4]。運(yùn)用密集匹配技術(shù)完成同名點(diǎn)匹配，可以準(zhǔn)確獲取地物信息，做好模型細(xì)節(jié)處理。對海量特征點(diǎn)進(jìn)行提取，完成密集點(diǎn)云構(gòu)建，并進(jìn)行濾波提高數(shù)據(jù)精度。利用高精度點(diǎn)云建立三角網(wǎng)（TIN），需要先完成物體TIN構(gòu)建，然后進(jìn)行整體模型構(gòu)建，在航片重疊度較高的情況下可以獲得密集的TIN，反映真實地物結(jié)構(gòu)。根據(jù)TIN構(gòu)建白模型，根據(jù)二維空間點(diǎn)和三維物體表面對應(yīng)關(guān)系完成紋理映射，能夠生成色彩真實的三維模型。

2.5 測圖分析

利用模型進(jìn)行測圖，使用三維測圖系統(tǒng)（EPS）采集數(shù)字線劃圖，直接將模型導(dǎo)入系統(tǒng)平臺，由OSGB格式轉(zhuǎn)換為DSM格式，然后在系統(tǒng)中加載，完成參數(shù)設(shè)置。在模型上進(jìn)行點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)測量，并完成圖層和屬性設(shè)定，能夠完成內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集。針對無法確定屬性地物，需要通過外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行補(bǔ)測，繪制對應(yīng)區(qū)域線劃圖。

2.6 精度檢驗

在地形圖制作過程中，應(yīng)先確認(rèn)測圖能否通過精度檢驗。在測區(qū)內(nèi)選擇9個檢查點(diǎn)，利用RTK技術(shù)完成各點(diǎn)坐標(biāo)測量后，在三維模型上讀取各點(diǎn)坐標(biāo)，對X方向和Y方向上二者差值ΔX和ΔY進(jìn)行計算，統(tǒng)計精度，能夠得到三維模型平面誤差最大為0.329m，分析得到中誤差為0.07m，高程最大誤差為0.362m，中誤差為0.09m（表2），符合1：500地形圖測量規(guī)范，說明采用傾斜攝影測量技術(shù)繪制的大比例尺地形圖精度較高，可以滿足需求。

3. 傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用展望

結(jié)合技術(shù)應(yīng)用實踐可知，采用傾斜攝影測量技術(shù)能夠完成三維實景模型的自動化構(gòu)建，在測圖工作中達(dá)到了較高精度。從五個角度完成地面物體的拍攝，能夠獲得全面的地物紋理信息，利用提取和貼紋方式降低建模成本，并通過疊加二、三維數(shù)據(jù)輸出DOM、數(shù)字高程模型（DSM）等豐富數(shù)據(jù)成果。通過全自動拍攝和建模，可以大大縮短建模時間，提高測量工作效率的同時，無需開展大量的外業(yè)工作，能夠明顯降低勞動強(qiáng)度。伴隨傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，衍生出了多視影像、三維測量等關(guān)鍵技術(shù)，還應(yīng)進(jìn)一步了解技術(shù)應(yīng)用情況。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 多視影像

應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)，可以通過增加不同視角影像數(shù)據(jù)完成多影像聯(lián)合平差和密集匹配。而在全面反映地物紋理信息的同時，需要認(rèn)識到各部分?jǐn)z影比例具有漸變特點(diǎn)，應(yīng)解決各像點(diǎn)分辨率不同等問題，以便通過去除粗差提高結(jié)果精度。采用多視影像技術(shù)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理，將根據(jù)影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系進(jìn)行聯(lián)合平差。對影像外方位元素進(jìn)行同步采集，利用金字塔匹配策略完成各級影像同名點(diǎn)匹配，能夠利用網(wǎng)光束法進(jìn)行平差，獲得可以高精度匹配的同名連接點(diǎn)[5]。針對各連接點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)和輔助數(shù)據(jù)建立誤差方程，對影像進(jìn)行自校驗，能夠通過聯(lián)合結(jié)算提高平差精度。在影像數(shù)據(jù)較多的情況下，需要考慮數(shù)據(jù)冗余問題，根據(jù)同名點(diǎn)坐標(biāo)獲取地物三維信息，進(jìn)行影像密集匹配。結(jié)合無人機(jī)拍攝特點(diǎn)，使用mean shift法完成影像色彩分割，并通過半全局匹配方式獲得初始視差圖。將分割得到的塊當(dāng)成最小單元，通過Ransac法擬合分析，能夠?qū)σ暡钇矫孢M(jìn)行精化。通過置信度傳播方式進(jìn)行分配，可以進(jìn)一步提高結(jié)果精度。

3.1.2 三維測量

在傾斜攝影測量中，三維測量為關(guān)鍵組成部分，能夠通過將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。運(yùn)用三維測量技術(shù)要求在航拍過程中完成時間同步記錄，通過有效核對信息降低數(shù)據(jù)錯誤發(fā)生概率，并通過校對信息獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在測量區(qū)域范圍較大時，將獲得龐大數(shù)據(jù)信息，需要建立數(shù)據(jù)庫加強(qiáng)各數(shù)據(jù)端連接，確保能夠依靠計算機(jī)完成數(shù)據(jù)準(zhǔn)確處理。采用模擬處理方式，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)特征分析，能夠降低誤差數(shù)值，保證模型質(zhì)量。在實踐過程中，可以利用自動化建模軟件輸出標(biāo)準(zhǔn)OSGB數(shù)據(jù)格式，自帶LOD層級結(jié)構(gòu)，可以通過超圖軟件完成對應(yīng)格式數(shù)據(jù)讀取，并通過match完成數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)度。

3.1.3 單體化

針對三維模型進(jìn)行處理，需要解決單體分離問題。而采用單體化技術(shù)，能夠憑借三角面片可分割性質(zhì)進(jìn)行模型邊界確定。完成切割多邊形的繪制，利用包圍盒方法完成求交檢測，能夠進(jìn)行三角面片切割，快速生成三角網(wǎng)。根據(jù)三角網(wǎng)和多邊形交點(diǎn)進(jìn)行計算，考慮不同相交情況，能夠運(yùn)用多種切割方法進(jìn)行模型處理。完成三角網(wǎng)的剪裁和重構(gòu)，重新賦予紋理，能夠完成多細(xì)節(jié)分層，繼而生成單體模型。

3.1.4 效果修補(bǔ)

在實景模型生成過程中，按照傾斜攝影測量流程需要利用軟件自動生成。但在拍攝過程中，受角度等影響容易出現(xiàn)模型表面平整度差的問題，造成模型出現(xiàn)失真問題。在應(yīng)用過程中，需要完成效果修補(bǔ)，將空洞區(qū)模型導(dǎo)出后提取邊界，完成三角網(wǎng)重構(gòu)。對模型表面進(jìn)行修正，目前可以采用超圖軟件等多種軟件。在實踐中，需要利用帶水面符號完成空洞水體的修復(fù)，以便使生成的模型帶有水紋等視覺效果。

3.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

通過加強(qiáng)各種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，傾斜攝影測量技術(shù)精度逐步提升。現(xiàn)階段，傾斜攝影測量技術(shù)在礦山測量、工程測繪、城市規(guī)劃等各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如在礦山測量方面，應(yīng)用該技術(shù)能夠完成礦山內(nèi)部測量，完成泥石流、滑坡等各種地質(zhì)災(zāi)害探測。通過無人機(jī)搭載攝像頭進(jìn)入礦山內(nèi)部，能夠?qū)ΦV山內(nèi)部環(huán)境圖像測繪，為分析礦山活動帶來的環(huán)境變化提供依據(jù)。但在技術(shù)應(yīng)用實踐中，受礦山內(nèi)光線、信號干擾等因素的影響，無法有效保證測繪精度，給技術(shù)應(yīng)用帶來限制。在工程測繪領(lǐng)域，應(yīng)用該技術(shù)能夠全面反映測區(qū)交通、水系、建筑等各種情況，提高外業(yè)勘測效率，通過三維建模為工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。近年來在城市規(guī)劃工作中，由于實體信息均通過三維模型承載，傾斜攝影測量技術(shù)得到了應(yīng)用。在智慧城市建設(shè)過程中，為獲得多尺度、多時空的信息，需要利用無人機(jī)航拍方式進(jìn)行地表各類建筑物的測量，通過三維可視化模型為城市規(guī)劃設(shè)計提供地理信息服務(wù)。但值得注意的是，技術(shù)應(yīng)用將受到航片質(zhì)量影響，繼而受到天氣、遮擋物等復(fù)雜因素的限制。如受天氣因素影響，飛行平臺無法保持穩(wěn)定，將造成航片重疊度范圍等發(fā)生變化，繼而給影像糾正效果帶來不利影響。而因遮擋物的存在導(dǎo)致部分測量數(shù)據(jù)存在較大誤差，也將造成測量精度不高。

3.3 發(fā)展展望

根據(jù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀可知，想要取得更好的發(fā)展前景，需要保證測量數(shù)據(jù)的精確性。目前數(shù)據(jù)精確性問題集中在比例尺方面，受影像光照、色彩信息差異性等因素限制容易產(chǎn)生偏差。為解決這一問題，需要在軟硬件方面進(jìn)行改進(jìn)，獲得更強(qiáng)的影像信息提取和處理能力。一方面，可以加強(qiáng)5G等技術(shù)運(yùn)用將互聯(lián)網(wǎng)地圖升級為三維地圖，通過不斷豐富三維模型數(shù)據(jù)提高技術(shù)精度。針對屋檐、樹下遮擋等區(qū)域建模容易出現(xiàn)拉花、扭曲等情況，需通過約束建模或貼近補(bǔ)拍等方式提升模型輸出質(zhì)量。在基礎(chǔ)上，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、云計算等各種先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用，研制出功能更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，憑借強(qiáng)大運(yùn)算力不斷提高三維模型精度。另一方面，以無人機(jī)為載體進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，需要持續(xù)研發(fā)穩(wěn)定性更高的航拍平臺，同時延長無人機(jī)航拍時間，減小影像光照和色彩差異性等因素帶來的影響[6]。此外，應(yīng)完善內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理規(guī)范，制定科學(xué)的三維建模外業(yè)攝影技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全方位提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效率，降低后期數(shù)據(jù)處理難度。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，深入挖掘傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用價值，能夠使技術(shù)逐步向軍事、民用等各個領(lǐng)域遷移，完成相應(yīng)測量軟件開發(fā)，以便抓住時代機(jī)遇為測量行業(yè)帶來的技術(shù)大變革。

4. 結(jié)論

在地形圖測繪實踐中，結(jié)合測區(qū)情況合理設(shè)置航拍參數(shù)和完成像控點(diǎn)布置，能夠完成三維模型構(gòu)建，達(dá)到1∶500圖形測繪要求，凸顯了傾斜攝影測量技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用價值。而加強(qiáng)多視影像、三維測量等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步提高傾斜攝影測量精度，促使該技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在工程測繪、城市規(guī)劃等各領(lǐng)域獲得較好應(yīng)用前景。但從技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀來看，仍然存在輸出模型精度不高的問題，需要通過約束建模、研發(fā)高性能航拍平臺等措施提高測量精度。