傾斜攝影空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)解算優(yōu)化研究

馬喜飛

摘? 要：針對(duì)傾斜攝影空中三角測(cè)量解算精度低、易分層、效率低的問題，該文對(duì)空中三角測(cè)量原理進(jìn)行深入分析，并結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出幾種空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)解算優(yōu)化方案，并通過實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)該文提出的方案進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該文提出的幾種方案可以有效提升傾斜數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量解算的精度，并且解算成功率高、效率高，可以為傾斜攝影空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)高質(zhì)量的解算帶來借鑒。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；空中三角測(cè)量；空三加密優(yōu)化；影像；蒙板

中圖分類號(hào)：P231? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0041-04

Abstract： In view of the problems of low accuracy， easy stratification and low efficiency of aerial triangulation （AT） solution for oblique photography， this paper deeply analyzes the principle of aerial triangulation and puts forward several optimization schemes of aerial triangulation data according to the characteristics of tilt photographic data， and the scheme proposed in this paper is verified by the actual data. Through the analysis of the experimental data， it can be seen that several schemes proposed in this paper can effectively improve the accuracy of aerial triangulation of inclined data， and the solution has high success rate and high efficiency， thereby can be used as a reference for the high-quality solution to aerial triangulation data of oblique photography.

Keywords： oblique photography; aerial triangulation （AT）; aerial triangulation optimization; image; mask

隨著無人機(jī)低空飛行和載荷能力的逐漸提升，數(shù)碼相機(jī)重量的不斷減輕和組裝能力的不斷加強(qiáng)，采用無人機(jī)搭載傾斜攝影多鏡頭相機(jī)進(jìn)行低空飛行，并采集傾斜攝影數(shù)據(jù)用于測(cè)繪產(chǎn)品的生產(chǎn)成為了目前主流的航空攝影方式。然而，在實(shí)際作業(yè)中可以發(fā)現(xiàn)，采用目前已有的軟件對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，存在數(shù)據(jù)解算精度低、空三成果易分層、解算效率低等問題。針對(duì)存在的問題，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，吳英梅[1]、楊朋荷[2]、邵金鵬[3]從多個(gè)角度對(duì)傾斜攝影空三數(shù)據(jù)解算進(jìn)行了研究，提出了比較實(shí)用的解決方案，并用于實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)多種優(yōu)化方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。邰建豪等[4]從傾斜數(shù)據(jù)高冗余方面出發(fā)，探討了冗余數(shù)據(jù)的存在原因，并針對(duì)冗余數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，開發(fā)相應(yīng)的軟件進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的自動(dòng)剔除，提升了數(shù)據(jù)的解算效率。本文在分析了空中三角測(cè)量的原理后，提出多種方案對(duì)傾斜數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量解算進(jìn)行優(yōu)化，并以多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對(duì)本文方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的效果，為同類數(shù)據(jù)的解算帶來借鑒。

1? 傾斜攝影空中三角測(cè)量原理

空中三角測(cè)量解算也被稱為空三加密，是指利用相片內(nèi)在的幾何特征，根據(jù)少量的野外像控點(diǎn)，在室內(nèi)進(jìn)行同名點(diǎn)加密，并求得同名點(diǎn)的平面和高程的準(zhǔn)確位置的一種測(cè)量方案。空三加密的整個(gè)流程主要包括影像金字塔構(gòu)建、特征點(diǎn)檢測(cè)與圖像相似度計(jì)算、特征匹配與平差調(diào)整等[5-6]。而在進(jìn)行空三加密時(shí)，其主要依據(jù)的參數(shù)是相機(jī)參數(shù)、拍照時(shí)影像的位置和姿態(tài)、影像的表征質(zhì)量等。由此可見，準(zhǔn)確的參數(shù)和高質(zhì)量影像，可以有效提升空三加密成果質(zhì)量，以便得到更高精度的測(cè)繪產(chǎn)品。

2? 傾斜攝影空中三角測(cè)量優(yōu)化方案

傾斜數(shù)據(jù)的解算主要取決于影像質(zhì)量、相機(jī)參數(shù)、外方位元素，從這三方面進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，可以有效提高數(shù)據(jù)的解算精度、成功率和效率，本文的數(shù)據(jù)優(yōu)化方案流程如圖1所示。

2.1? 影像質(zhì)量優(yōu)化

影像質(zhì)量是指影像的表征質(zhì)量和影像每個(gè)像素點(diǎn)的精度。影像的表征質(zhì)量即影像所表現(xiàn)出來的特性，如影像明暗度、曝光度、對(duì)比度和色差等[7]。影像像素的精度是指影像每個(gè)像素點(diǎn)的變形大小，目前常見的影像畸變有桶形和枕形2種，這2種的變形特點(diǎn)是影像中心點(diǎn)不存在畸變，越往影像邊緣，變形越大。對(duì)于影像的表征質(zhì)量，可以采用勻光勻色的方法來提高。由于傾斜攝影搭載的5個(gè)相機(jī)在曝光時(shí)的進(jìn)光量不同，因此其獲取的影像存在明顯的明暗度不一致，需要對(duì)其進(jìn)行勻光勻色處理。常采用的方法是利用一張地物信息豐富，表征質(zhì)量良好的影像為模板，對(duì)所有影像進(jìn)行批處理勻色，從而提升影像質(zhì)量[8]。也可以結(jié)合每個(gè)鏡頭影像的不同表現(xiàn)，人為地調(diào)整影像的各項(xiàng)參數(shù)，并將調(diào)整的各項(xiàng)參數(shù)記錄下來，然后按照同樣的參數(shù)，對(duì)單個(gè)鏡頭的所有影像進(jìn)行批處理，從而提升影像的質(zhì)量。去畸變主要從2方面入手，即利用準(zhǔn)確的相機(jī)檢校報(bào)告，對(duì)影像進(jìn)行糾正，從而得到去除畸變后的影像成果。在沒有準(zhǔn)確的相機(jī)檢校參數(shù)時(shí)，也可以使用蒙板，來約束用于進(jìn)行空三加密的影像范圍，從而降低影像畸變帶來的影響。

2.2? 相機(jī)參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于傾斜相機(jī)來說，由于其傾斜角大，通常為45°，而且鏡頭多，如果采用露天檢校場(chǎng)對(duì)多鏡頭相機(jī)進(jìn)行檢校，其檢校費(fèi)用非常高，而且能夠提供這樣檢校服務(wù)的地方較少。如果采用郵寄方式進(jìn)行檢校，在運(yùn)輸過程中，相機(jī)存在被損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而且震動(dòng)等外界因素也會(huì)導(dǎo)致相機(jī)參數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)致檢校參數(shù)無法使用。為了節(jié)約成本，一般采用軟件自檢校的方法。其思路是采用少量的照片進(jìn)行空三加密，然后將外業(yè)采集的像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，然后進(jìn)行平差迭代解算，直到平差精度趨于穩(wěn)定，然后導(dǎo)出每個(gè)鏡頭準(zhǔn)確的焦距和像主點(diǎn)坐標(biāo)值，從而獲得更精確的相機(jī)參數(shù)，起到優(yōu)化相機(jī)參數(shù)的目的。

2.3? 外方位元素優(yōu)化

對(duì)于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)來說，由于無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致無人機(jī)安裝的姿態(tài)設(shè)備獲取的影像曝光時(shí)的姿態(tài)值與真實(shí)值相差較大。在數(shù)據(jù)解算時(shí)，如果把影像的姿態(tài)值導(dǎo)入并進(jìn)行空三加密解算的話，會(huì)導(dǎo)致空三加密解算失敗。在實(shí)際作業(yè)中，一般只使用每個(gè)影像對(duì)應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值。空三加密解算主要參照每張影像的位置坐標(biāo)值，在進(jìn)行解算的過程中，因?yàn)閷?dǎo)入的外方位元素值準(zhǔn)確度較低，因此空三加密后的結(jié)果出現(xiàn)分層、解算失敗的比率較高[9]。目前對(duì)外方位元素的優(yōu)化主要從兩方面入手，一種是通過不斷空三加密解算和迭代平差，直至空三加密結(jié)果符合項(xiàng)目要求為止；另一種是通過不同軟件組合來進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算，首先用一款軟件獲取精度較低的外方位元素，然后用另外一款軟件，將精度較低的外方位元素作為輸入數(shù)據(jù)，導(dǎo)入軟件中，進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)的解算，從而完成外方位元素的優(yōu)化。

2.4? 剔除冗余無效影像

空三加密優(yōu)化，除了對(duì)輸入的相機(jī)參數(shù)、影像質(zhì)量、外方位元素優(yōu)化外，還有一個(gè)很重要的方面就是剔除不參與后續(xù)模型生產(chǎn)的冗余無效影像。傾斜攝影相對(duì)傳統(tǒng)的垂直攝影來說，有一個(gè)很大的區(qū)別就是傾斜攝影數(shù)據(jù)重疊度高，影像數(shù)量多。數(shù)據(jù)越多，軟件在解算時(shí)，需要的時(shí)間越多，而且平差難度更大，出現(xiàn)平差不收斂而導(dǎo)致失敗的比率會(huì)提高。在對(duì)冗余影像進(jìn)行處理時(shí)，可結(jié)合任務(wù)范圍線，鏡頭與航線之間的關(guān)系，地形以及地物之間的關(guān)系，把范圍線外面、不參與模型生產(chǎn)或者不影響模型質(zhì)量的影像進(jìn)行剔除，這樣數(shù)據(jù)量就會(huì)減小，可以在一定程度上提升影像解算的效率和精度，而且可以提高平差收斂的比率，讓傾斜空三加密解算更容易成功。

3? 案例分析

案例一：該數(shù)據(jù)來源于某城區(qū)建模項(xiàng)目。在航攝時(shí)，由于航攝周期較長，加上航攝時(shí)天氣多變，導(dǎo)致航攝影像色差較大，太陽光被建筑物遮擋而產(chǎn)生的陰影較多。采用Context Capture對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密解算，在解算過程中，陰影區(qū)域匹配的錯(cuò)誤點(diǎn)較多，整體的空三加密結(jié)果精度差，不能滿足項(xiàng)目要求。為了解決加密點(diǎn)精度低的問題，筆者在所有航攝影像中，找了一幅地物信息豐富、亮度適中的下視鏡頭影像作為模板，采用易拼圖軟件，對(duì)所有航攝影像進(jìn)行勻光勻色處理。處理完成后，采用人機(jī)交互的方式，對(duì)所有影像進(jìn)行查看，影像亮度適中，紋理比較清晰，整體色調(diào)基本一致。在保持其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)處理后的影像進(jìn)行空三加密解算。通過解算報(bào)告可知，處理后的加密成果，其加密點(diǎn)中誤差較勻光勻色前的小，粗差點(diǎn)也明顯減少，表明提升影像質(zhì)量，可以有效提高空三加密解算精度。由此可見，影像質(zhì)量的提升，可以提高數(shù)據(jù)解算的精度。

案例二：本次數(shù)據(jù)來源于農(nóng)村村莊規(guī)劃項(xiàng)目。在進(jìn)行無人機(jī)航空攝影時(shí)，選擇的傾斜設(shè)備為下視焦距25 mm，側(cè)視焦距35 mm的相機(jī)。有前期從Context Capture軟件中導(dǎo)出的精度較高的相機(jī)參數(shù)文件。將相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入工程中并進(jìn)行空三加密解算，在解算后，雖然空三成果未出現(xiàn)分層等問題，但是精度很難滿足項(xiàng)目要求，需要解決此類問題。因?yàn)椴捎玫南鄼C(jī)焦距為短焦，而且在獲取時(shí)，飛行的高度較低，因此航攝原始影像數(shù)據(jù)畸變較大，需要對(duì)其去畸變處理。目前，去畸變主要是通過畸變糾正軟件來完成，需要用到的相機(jī)參數(shù)包括焦距、像主點(diǎn)偏移坐標(biāo)、徑向畸變和偏心畸變系數(shù)，這需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行檢校，費(fèi)用成本高，一般不采取這種方式。在傾斜攝影數(shù)據(jù)解算中，針對(duì)影像重疊度高這一特點(diǎn)，一般選用蒙板來減小影像畸變對(duì)數(shù)據(jù)解算帶來的影響。蒙板是指利用和影像大小相同的一幅影像，給其命名為mask.tif，然后用黑白2種顏色對(duì)其進(jìn)行填充。其中，黑色填充部分對(duì)應(yīng)的區(qū)域影像不參與數(shù)據(jù)解算，白色填充部分對(duì)應(yīng)的區(qū)域影像參與數(shù)據(jù)解算。本次項(xiàng)目航攝影像重疊度均為85%，重疊度較高，設(shè)置蒙板四邊10%的像素對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)楹谏?，并將設(shè)置好的蒙板與影像數(shù)據(jù)放到同一文件夾下，讓對(duì)應(yīng)影像區(qū)域不參與空三解算。解算完成后，對(duì)優(yōu)化前后的空三報(bào)告對(duì)比查看可知，優(yōu)化前數(shù)據(jù)解算耗時(shí)15 h，加密點(diǎn)重投影中誤差為1.1個(gè)像素；優(yōu)化后數(shù)據(jù)解算耗時(shí)11.5 h，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.58個(gè)像素，規(guī)范固定不超過2/3個(gè)像素，表明采用蒙板進(jìn)行空三解算優(yōu)化，在提高效率的同時(shí)也可以提高精度。圖2所示是本次采用蒙板處理某一張影像后得到的加密點(diǎn)分布圖。

案例三：本次數(shù)據(jù)來源于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目。航攝時(shí)采用的5鏡頭相機(jī)為自己組裝起來的相機(jī)，由于購買的都是35 mm焦距的相機(jī)，為了保證5個(gè)鏡頭獲取的影像分辨率盡可能一致，人為地對(duì)下視鏡頭相機(jī)焦距進(jìn)行了調(diào)整，將其調(diào)整為50 mm固定焦距，其余4個(gè)則調(diào)整為35 mm固定焦距。在進(jìn)行數(shù)據(jù)解算時(shí)，輸入調(diào)整后的焦距，數(shù)據(jù)解算失敗，分析原因可能是因?yàn)榻咕嗖粶?zhǔn)確引起的，因此對(duì)焦距進(jìn)行精確解算。首先結(jié)合像控點(diǎn)點(diǎn)位分布情況，以下視鏡頭覆蓋范圍為準(zhǔn)，挑選了120張下視鏡頭照片，并把對(duì)應(yīng)的側(cè)視鏡頭照片挑選出來，共計(jì)600張照片進(jìn)行空三加密解算，并轉(zhuǎn)刺了4個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行平差調(diào)整，然后得到了每個(gè)鏡頭準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)。把得到的相機(jī)參數(shù)作為初始值填到原工程中進(jìn)行空三加密解算，空三解算順利完成，查看加密報(bào)告，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.45個(gè)像素，小于規(guī)范要求的2/3個(gè)像素，空三成果精度符合項(xiàng)目要求。由此可見，準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，不但可以提升空三加密解算的成功率，而且也可以提升數(shù)據(jù)解算的精度。

案例四：本次數(shù)據(jù)來源于河湖確權(quán)登記。對(duì)于空三加密來說，帶狀數(shù)據(jù)的解算難度更大，在實(shí)際作業(yè)中，帶狀數(shù)據(jù)解算極易出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，是因?yàn)樵谄讲顣r(shí)，使用的POS數(shù)據(jù)精度較低，基本上很難對(duì)像片數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，而是通過連接點(diǎn)將所有影像連接成一體，解出的物方坐標(biāo)是虛擬坐標(biāo)，是相對(duì)于第一張影像的相對(duì)值，通過不斷的迭代傳遞，導(dǎo)致最終成果因彎曲而無法使用。分析原因，是因?yàn)镻OS數(shù)據(jù)精度較低，因此可以通過優(yōu)化POS數(shù)據(jù)精度，從而解決空三數(shù)據(jù)彎曲問題。對(duì)于帶狀數(shù)據(jù)解算而言，目前Mirauge3D軟件還是比較好用的，其在進(jìn)行空三數(shù)據(jù)解算時(shí)，得到的加密點(diǎn)精度并不高，但是通過解算，可以得到精度較高的POS數(shù)據(jù)，而且其3個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)精度也比較高。首先通過Mirauge3D軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到優(yōu)化后的POS數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)出xml文件，然后將xml文件導(dǎo)入到Context Capture軟件中，再次進(jìn)行空三數(shù)據(jù)解算。通過實(shí)際解算可以發(fā)現(xiàn)，采用2款軟件組合進(jìn)行傾斜帶狀影像數(shù)據(jù)的空三解算，雖然其解算效率不高，但是解決了帶狀數(shù)據(jù)解算彎曲問題，而且第二次解算后的成果，其加密點(diǎn)精度均符合目前已有的規(guī)范要求。

若只有Context Capture軟件，沒有其他軟件的時(shí)候，解算帶狀數(shù)據(jù)的方法基本上只有2種，一種是通過多次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將每次解算的數(shù)據(jù)作為初始值輸入到工程中，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，直到解算得到符合精度要求的成果。這種方式工作量大，而且不能保證數(shù)據(jù)解算一定會(huì)成功。另一種方法是對(duì)帶狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，將一個(gè)完整的測(cè)區(qū)分成多個(gè)塊，分塊的地方需要有3～4條基線的重疊區(qū)域。對(duì)每塊進(jìn)行空三加密解算，并在重疊區(qū)域提取特征點(diǎn)，將特征點(diǎn)轉(zhuǎn)刺到2個(gè)空三中，通過特征點(diǎn)來對(duì)分塊空三進(jìn)行約束，從而保證空三精度能夠滿足接邊精度要求。這種方式作業(yè)效率雖然不高，但是很大程度上可以提升數(shù)據(jù)的解算成功率。

4? 結(jié)束語

傾斜攝影空三加密是傾斜數(shù)據(jù)解算中非常重要的一個(gè)步驟，也是傾斜數(shù)據(jù)解算中最容易出現(xiàn)問題的一步。針對(duì)傾斜攝影空三加密存在的各種問題，筆者分析了其原因，并給出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并以不同的實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)提出的優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證。通過實(shí)際生產(chǎn)可知，本文提出的幾種優(yōu)化方案，可以有效解決傾斜攝影空三存在的問題，可行性較強(qiáng)，可以為同類數(shù)據(jù)的解算帶來借鑒。

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