傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建及精度分析

【摘要】當(dāng)下，傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建已經(jīng)在數(shù)字城市建設(shè)、工廠信息化、地質(zhì)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。文中對(duì)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建及精度分析工作進(jìn)行研究，首先介紹了傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建工作，隨后以某采石場(chǎng)為例展開案例精度分析，最后進(jìn)行總結(jié)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，傾斜攝影測(cè)量在實(shí)景三維模型構(gòu)建方面展現(xiàn)出了優(yōu)于豎直攝影測(cè)量的精度，同時(shí)誤差也相對(duì)較低。

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜攝影測(cè)量；三維模型構(gòu)建；精度分析

【中圖分類號(hào)】TU198 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）07-0095-03

0 引言

在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，三維建模使得設(shè)計(jì)師能夠更直觀地展示設(shè)計(jì)方案，有助于客戶和施工方更好地理解設(shè)計(jì)意圖，從而提高建筑的安全性和穩(wěn)定性。三維建模技術(shù)的發(fā)展可以大致分為四個(gè)階段：基于三角形的建模、以曲線和曲面為基礎(chǔ)的造型技術(shù)、多模態(tài)建模技術(shù)以及現(xiàn)代的智能化建模技術(shù)，每個(gè)階段都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。而傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型則是基于現(xiàn)代智能化建模技術(shù)基礎(chǔ)上所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)形式，屬于第四階段建模技術(shù)。盡管三維建模技術(shù)已經(jīng)取得顯著進(jìn)步，但仍存在一些問題。由此可見，對(duì)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建及精度分析進(jìn)行研究具有重要意義。

1 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建工作

1.1 稀疏匹配

首先，對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行提取。提取特征點(diǎn)的核心在于尋找不同影像的關(guān)聯(lián)性以及同名點(diǎn)。工作過程中，操作人員需要對(duì)典型特征點(diǎn)進(jìn)行提取，并尋找難以出現(xiàn)誤匹配的特征點(diǎn)。提取過程中，特征點(diǎn)主要?jiǎng)澐譃閮煞N，分別是特征斑點(diǎn)和特征角點(diǎn)，在對(duì)特征角點(diǎn)進(jìn)行提取時(shí)應(yīng)當(dāng)有效利用Harris算子進(jìn)行檢測(cè)工作[1]。特征斑點(diǎn)則為點(diǎn)灰度差距較大的點(diǎn)，需要利用DoG算子展開檢測(cè)。

其次，描述特征點(diǎn)。待提取特征點(diǎn)工作結(jié)束后，需要展開描述工作，對(duì)已經(jīng)提取出的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)信息展開描述。在此過程中，需要將特征信息作為核心，比如明確特征點(diǎn)的尺度信息或者位置信息。信息具備唯一的特點(diǎn)，并且抗干擾能力較強(qiáng)[2]。

最后，匹配特征點(diǎn)。待描述工作結(jié)束后，需要分別對(duì)不同特征點(diǎn)展開匹配，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建點(diǎn)集，明確對(duì)應(yīng)關(guān)系。此時(shí)需要以特征信息為基礎(chǔ)，對(duì)不同特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。通常情況下，描述信息的距離度量和相似度量應(yīng)當(dāng)為反比關(guān)系，不同特征點(diǎn)之間的同名可能性也會(huì)受到二者度量之間關(guān)聯(lián)性的影響。

1.2 空中三角測(cè)量

在開展此項(xiàng)測(cè)量工作之前，要預(yù)先對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配和定向處理，為空中三角測(cè)量工作打下基礎(chǔ)。具體而言，獲取影像的瞬間，三個(gè)特征點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)明顯的共線關(guān)系，三個(gè)特征點(diǎn)包括像點(diǎn)、地物點(diǎn)和投影中心。與此同時(shí)，地物點(diǎn)會(huì)根據(jù)影像的不同產(chǎn)生不同的像點(diǎn)，但是在此過程中所產(chǎn)生的像點(diǎn)基本可以滿足共線關(guān)系的需求。在此基礎(chǔ)之上，攝影基線和與之相對(duì)應(yīng)的光線則能夠滿足共面要求。此時(shí)需要借助共面方程對(duì)拍攝時(shí)的姿態(tài)和位置進(jìn)行恢復(fù)和還原，并在此基礎(chǔ)上借助像空間輔助坐標(biāo)系計(jì)算出外方位元素[3]。

1.3 密集匹配

空中三角測(cè)量工作結(jié)束后，雖然已經(jīng)在特征匹配的幫助下提取了影像特征點(diǎn)，但是點(diǎn)云較為稀疏，并且獲取的點(diǎn)數(shù)無法支撐模型構(gòu)建工作。因此需要采用密集匹配操作，增加獲取點(diǎn)數(shù)，大規(guī)模提取同名像點(diǎn)，才能滿足模型構(gòu)建要求，發(fā)揮三維模型構(gòu)建的作用。

對(duì)比傳統(tǒng)正射鏡頭拍攝，傾斜攝影拍攝會(huì)受到拍攝角度的影響，引發(fā)各方面問題，比如地物之間存在遮擋，或者投影變形量較大等。此時(shí)如果采用傳統(tǒng)方式，則無法滿足點(diǎn)云的要求，也無法支持模型構(gòu)建。因此，需要在特征點(diǎn)的幫助下對(duì)三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，并將不同三角網(wǎng)絡(luò)劃分為不同區(qū)域。隨后獲取同名三角形以及同名特征點(diǎn)，并對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行計(jì)算，在旋轉(zhuǎn)矩陣的幫助下匹配像素點(diǎn)[4]。

1.4 構(gòu)建三角網(wǎng)

首先，獲取三角形。需要在網(wǎng)格初始化的幫助下獲取種子三角形，為網(wǎng)格生長(zhǎng)和填補(bǔ)空洞打下基礎(chǔ)。

其次，進(jìn)行網(wǎng)格生長(zhǎng)?；谧顑?yōu)點(diǎn)位于網(wǎng)格生長(zhǎng)方向的約束條件下，展開Delaunay三角網(wǎng)格算法，促使網(wǎng)格生長(zhǎng)，從而獲取真三維網(wǎng)絡(luò)[5]。

最后，填補(bǔ)網(wǎng)格空洞。主要指工作人員需要細(xì)致觀察了解真三維網(wǎng)絡(luò)，尋找出現(xiàn)的空洞，并對(duì)空洞進(jìn)行填補(bǔ)，獲取完整、可靠的網(wǎng)絡(luò)模型，滿足人們的視覺習(xí)慣和觀測(cè)需求。

1.5 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)與其他測(cè)量技術(shù)的對(duì)比

傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)與其他建模技術(shù)如基于三角形的建模、以曲線和曲面為基礎(chǔ)的造型技術(shù)、多模態(tài)建模技術(shù)以及豎直攝影技術(shù)相比，各有其獨(dú)特之處和適用場(chǎng)景。而作為第四階段的技術(shù)形式，其優(yōu)勢(shì)與技術(shù)特點(diǎn)十分突出，為更加清晰地了解此技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與對(duì)于現(xiàn)代測(cè)量的適應(yīng)性，文中特選擇其他三個(gè)階段的技術(shù)形式與其進(jìn)行對(duì)比。如表1所示。

1.5.1 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)

1）優(yōu)點(diǎn)。此技術(shù)通過多角度拍攝獲取豐富的立體信息，使得三維建模具有更高的精度和實(shí)景感。它不僅能夠高效地快速進(jìn)行航測(cè)，而且可以通過計(jì)算機(jī)視覺算法進(jìn)行三維重建，生成精確的三維模型。

2）應(yīng)用場(chǎng)景。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、地理測(cè)繪等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它能夠精確地再現(xiàn)地物的外觀和結(jié)構(gòu)，為決策提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

1.5.2 基于三角形的建模技術(shù)（如Misfit Model 3D）

1）特點(diǎn)。此技術(shù)基于三角形進(jìn)行模型建模，通過定義三角形的頂點(diǎn)、邊和面來構(gòu)建三維模型。它支持多級(jí)撤銷、結(jié)構(gòu)動(dòng)畫等功能，易于使用，并且在模型編輯方面具有一定的靈活性。

2）對(duì)比。與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相比，基于三角形的建模技術(shù)更多地依賴于人工操作，建模過程可能較為繁瑣。同時(shí)，在處理復(fù)雜場(chǎng)景和大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，其效率和精度可能不如傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。

1.5.3 以曲線和曲面為基礎(chǔ)的造型技術(shù)

1）特點(diǎn)。此技術(shù)通過精確控制幾何元素（如點(diǎn)、線、圓、橢圓、圓錐等）來建立模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及存儲(chǔ)媒介的發(fā)展，這種建模方式變得更加靈活、高效和精確。

2）對(duì)比。雖然以曲線和曲面為基礎(chǔ)的造型技術(shù)在某些領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，但在處理復(fù)雜地形和建筑物時(shí)，可能不如傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠精確地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景。

1.5.4 豎直攝影技術(shù)

1）特點(diǎn)。豎直攝影技術(shù)主要關(guān)注于獲取垂直于地面的影像數(shù)據(jù)，其應(yīng)用范圍通常局限于特定需求，如建筑立面的拍攝等。

2）對(duì)比。與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相比，豎直攝影技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)維度較為單一，難以全面反映地物的三維結(jié)構(gòu)。因此，在需要進(jìn)行全面三維建模和分析的應(yīng)用中，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常更具優(yōu)勢(shì)。

2 三維模型精度分析

以某采石場(chǎng)為例，展開三維模型精度分析。目前豎直攝影在廣闊場(chǎng)地測(cè)量中有著較為廣泛的應(yīng)用，而為了突出傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)，工程特選擇二者進(jìn)行技術(shù)比較，以此來突出此工程測(cè)量的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

首先對(duì)采石場(chǎng)展開外業(yè)信息數(shù)據(jù)采集工作，飛行器類型為油動(dòng)固定翼無人機(jī)。采集前，準(zhǔn)備了一臺(tái)SONYILCE-5100傾斜相機(jī)，相機(jī)擁有4個(gè)傾斜鏡頭和1個(gè)豎直鏡頭，其中傾斜鏡頭的焦距為35 mm，豎直鏡頭的焦距為20 mm。相機(jī)的傳感器規(guī)格為2.35 cm×1.57 cm，像素大小為3.9 μm，像幅為6 000×4 000。

由于采石場(chǎng)的面積較大，在測(cè)量過程中，需要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)架次，分別展開采集。在兩架次中，航高設(shè)定為360 m，一個(gè)架次的航線數(shù)量為10條，另一個(gè)架次航線數(shù)量則為16條。在經(jīng)過拍攝后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)架次的照片數(shù)量共有9 340張，其航向重疊率與旁箱重疊率相同都為80%。其中共包含35個(gè)像控點(diǎn)，地面的分辨率為7 cm，成圖比例尺為1：1 000。

2.2 豎直攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量對(duì)比

以采石場(chǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)三維模型的精度展開深入研究，對(duì)數(shù)值攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行對(duì)比。在對(duì)比過程中，測(cè)區(qū)、像控點(diǎn)數(shù)量、航線設(shè)計(jì)、曝光點(diǎn)實(shí)際位置完全一致，只有影像數(shù)據(jù)不同。因此，以影像數(shù)據(jù)為變量，分析傾斜影像與豎直影像之間的差異。

2.3 精度對(duì)比和分析

在采礦區(qū)內(nèi)設(shè)置好檢查點(diǎn)后，借助檢查點(diǎn)展開三維坐標(biāo)和RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)對(duì)比，從而做好精度對(duì)比分析。影像對(duì)比試驗(yàn)檢查點(diǎn)精度測(cè)試見表2。

首先，對(duì)高程誤差進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)傾斜影像實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)中心，誤差絕對(duì)值不超過5 cm的為27個(gè)，占檢測(cè)點(diǎn)總體數(shù)量的四分之三。誤差超過10 cm的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量?jī)H有1個(gè)，為10.2 cm。整體高程的誤差絕對(duì)值為4.6 cm。而采用同樣方法將所觀察到的誤差轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，可知僅有27.78%的數(shù)據(jù)可以將誤差控制在5 cm以下，5～10cm之間的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量為22.22%，超過10 cm誤差的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量為總體數(shù)量一半。高程誤差為12.23 cm。

其次，從表中可以發(fā)現(xiàn)，36個(gè)檢查點(diǎn)當(dāng)中，有26個(gè)平面誤差檢查點(diǎn)處于5 cm以下，占整體比例的72.2%，而平面誤差超過10 cm的僅有1個(gè)，平面誤差為4.73 cm。而豎直影像誤差不超過5 cm的檢測(cè)點(diǎn)占總體數(shù)量的44.44%，誤差在5～10 cm之間的檢測(cè)點(diǎn)占總體數(shù)量的47.22%，而誤差超過10 cm的數(shù)據(jù)有三個(gè)，平面誤差為6.36 cm。

最后，在采礦廠中，豎直影像實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的高程精度和平面精度低于傾斜影像實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。工程中誤差精度較高，因此需要從原有的dm級(jí)上升到cm級(jí)，和平面精度相同。在7 cm地面分辨率的條件下，影像數(shù)據(jù)能夠生產(chǎn)出數(shù)字線劃圖，比例為1：500。

在對(duì)進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比后，展開系統(tǒng)分析，為保證等高線能夠滿足制作精度要求，需要對(duì)數(shù)字線劃圖的等高線進(jìn)行深入檢查，分析是否可以滿足規(guī)范性要求。此次測(cè)量中共設(shè)置了33個(gè)檢查點(diǎn)，工作人員應(yīng)當(dāng)通過比較和內(nèi)插的方式展開精度分析。精度可見表3。

通過33個(gè)高程點(diǎn)對(duì)數(shù)字線劃圖進(jìn)行檢查，可以從表3中看出，誤差極值區(qū)間為-0.2～44.5 cm，誤差中值為21.8 cm。根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在此采礦場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，誤差應(yīng)當(dāng)不超過70 cm，而試驗(yàn)中最大誤差為44.5 cm，中誤差僅有21.8 cm，因此可以滿足規(guī)范要求。由此可見，能夠在傾斜影像實(shí)景三維模型基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字線劃圖進(jìn)行制作。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)從模型測(cè)量精度的角度來看，傾斜影像實(shí)景三維模型的優(yōu)勢(shì)更為顯著。并且，在特殊地質(zhì)環(huán)境如較大高差的測(cè)區(qū)內(nèi)，傾斜模型的精度更加能夠表現(xiàn)出卓越性能，可以有效解決當(dāng)前高程精度不足的問題。

而在對(duì)模型完整度進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)傾斜影像實(shí)景三維模型的恢復(fù)效果較好，面對(duì)難以精細(xì)建模的地形和地物也可以提升水平精度，能夠賦予地物采集工作和三維建模工作更高的效率和精度。

3 結(jié)語

通過分析傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建及精度后發(fā)現(xiàn)，傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建精度超過豎直攝影測(cè)量實(shí)景三維模型構(gòu)建精度，并且誤差較小，可以從細(xì)節(jié)、精度、紋理質(zhì)量、視覺效果等方面優(yōu)化建模，對(duì)提升建模質(zhì)量具有重要意義。

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[作者簡(jiǎn)介]何立武（1968—），男，吉林四平人，本科，工程師，研究方向：測(cè)繪地理信息。