基于Sm a rt3D和Te rra Solid軟件的無人機(jī)傾斜攝影生產(chǎn)DEM方法研究

□ 黃劍飛

（廣東省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 廣州 510075）

0.引言

傾斜攝影測量是一種通過飛行平臺搭載多個相機(jī)，同時從垂直、傾斜等多個不同的角度進(jìn)行影像拍攝，獲取地面物體完整信息的攝影測量技術(shù)[1]，該技術(shù)集成GPS/INS技術(shù)，可快速獲取數(shù)字地表模型（DSM），經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理可進(jìn)一步獲得DEM、DOM和DLG產(chǎn)品[2]。無人機(jī)作為一種新型的低空遙感對地觀測手段，具有操控簡單、獲取影像周期短、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)與傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)航測成本高、飛行窗口要求高、生產(chǎn)組織困難等諸多不足[3]，極大地提升作業(yè)效率，已廣泛應(yīng)用于城市三維建模、三維地質(zhì)勘查中。DEM生產(chǎn)根據(jù)其空間信息數(shù)據(jù)源獲取方式分類，大致可分為傳統(tǒng)手段直接測量（全站儀、RTK）、傳統(tǒng)航空攝影測量、從已有基礎(chǔ)地理信息資料采集、機(jī)載激光掃描（LiDAR）等，目前，Smart3D軟件已可以直接建模并導(dǎo)出LAS格式的密集匹配點(diǎn)云，為DEM生產(chǎn)提供了一種新的數(shù)據(jù)源。本文探討了一種利用Smart3D軟件處理無人機(jī)傾斜攝影影像數(shù)據(jù)生成地表點(diǎn)云，利用TerraSolid軟件進(jìn)行地表點(diǎn)云濾波與人工編輯分類并生成DEM的方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其DEM生產(chǎn)中的可行性。

1.傾斜攝影測量影像生產(chǎn)DEM的流程

利用傾斜攝影測量影像生成DEM的流程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)導(dǎo)入及像控點(diǎn)刺點(diǎn)、空中三角測量、多視影像密集點(diǎn)云匹配、點(diǎn)云粗差剔除、點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云人工編輯分類、構(gòu)建三角網(wǎng)及DEM輸出等步驟，（如圖1所示）。

無人機(jī)搭載多鏡頭傾斜云臺按設(shè)計(jì)航線飛行，可獲得高重疊度（70%～80%）、高分辨率的傾斜影像數(shù)據(jù)和曝光點(diǎn)POS數(shù)據(jù)。在建模生成點(diǎn)云前應(yīng)對影像的質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容主要包括以下幾個方面：影像清晰度、是否有重影、層次是否鮮明、色調(diào)一致性、反差合理性、是否有大面積陰影、反光、不清晰點(diǎn)[4]，對可能影響建模精度的影像應(yīng)予以剔除。經(jīng)過檢查的傾斜影像數(shù)據(jù)需要根據(jù)不同視角的相機(jī)單獨(dú)存儲，且影像的命名應(yīng)具有唯一性。

點(diǎn)云生成是在Smart3D軟件中進(jìn)行的。Smart3D是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場景運(yùn)算軟件，能夠運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云，優(yōu)勢在于全自動、快速和穩(wěn)健，以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸出格式和廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性，不需要人工的干預(yù)便可以生成逼真的三維場景模型。該軟件包括Master、Engine、Viewer三個主要模塊，其中Master模塊主要負(fù)責(zé)任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)管理及監(jiān)視任務(wù)狀態(tài)；Engine模塊是引擎端，負(fù)責(zé)任務(wù)的處理；Viewer模塊則主要用來瀏覽生成的三維場景與模型[5]。

點(diǎn)云濾波、人工編輯分類及DEM生成是在TerraSolid軟件中完成的。TerraSolid軟件是一款運(yùn)行于MicroStation系統(tǒng)之上的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，它包括 TerraMatch、TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto等模塊，主要功能包括點(diǎn)云噪聲和異常值的剔除、點(diǎn)云濾波、數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云分類輸出、DEM自動提取和編輯、影像數(shù)據(jù)的糾正和鑲嵌等[6]，本文只用 TerraScan和TerraModeler兩個模塊。

2.傾斜攝影測量數(shù)據(jù)點(diǎn)云生產(chǎn)

2.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)區(qū)位于福建省順昌縣城西側(cè)，面積約1.1平方千米，地形為平地和丘陵，地表主要以建筑物為主，南側(cè)丘陵區(qū)域植被較茂密。采用六旋翼無人機(jī)搭載國產(chǎn)五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5臺SONY DSC-QX100照相機(jī)組裝而成，相機(jī)的像幅大小為5472×3648像素，相機(jī)焦距10.4mm。航線設(shè)計(jì)相對航高為150m，旁向、航向重疊度均為70%，垂直影像地面分辨率0.04m，共飛行4個架次，獲得質(zhì)量良好的垂直影像905張，傾斜影像3620張。為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量，本次僅采用其中第二架次共1115張影像進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 創(chuàng)建工程

創(chuàng)建工程前需準(zhǔn)備好相機(jī)參數(shù)列表、影像屬性信息列表、像控點(diǎn)坐標(biāo)列表、Options列表四張Excel表格，其中相機(jī)參數(shù)列表內(nèi)容包括相機(jī)焦距、相片像素、傳感器尺寸、相機(jī)之間相互位置關(guān)系等信息；影像屬性信息列表內(nèi)容包括影像名稱及存儲目錄、拍攝相機(jī)編號、影像外方位元素等信息。Options表主要設(shè)置坐標(biāo)系及相片路徑信息。在Smart3D中新建工程，導(dǎo)入上述excel表即可完成區(qū)塊創(chuàng)建。在Controlpoints界面完成像控點(diǎn)刺點(diǎn)，有效的控制點(diǎn)集合包括三個或者三個以上控制點(diǎn)，每個控制點(diǎn)需有兩張及以上影像刺點(diǎn)[7]。

2.3 空三加密

空三加密及后續(xù)點(diǎn)云生成工作是由軟件自動解算完成的，Smart3D軟件結(jié)合影像外方位元素和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，先根據(jù)特征提取算法對影像進(jìn)行特征提取，并建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)以及POS數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合平差計(jì)算，得到每張像片的外方位元素以及所有加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)。

影像空三解算之后像對的總數(shù)為8481個，平均每張像片的像對數(shù)為15個，平均每張像片連接其他像片的數(shù)量為111張，平均每張像片上關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量為23895點(diǎn)，連接點(diǎn)總數(shù)為194473點(diǎn)，平均每個連接點(diǎn)的成像影像數(shù)為3張，平均每張像片上連接點(diǎn)數(shù)量為677點(diǎn)，重投影平均誤差為0.60像素，重投影中誤差為0.79像素，光線距離中誤差為0.031m。空三加密后結(jié)果（如圖2所示）。

圖2 空三結(jié)果

2.4 多視影像密集匹配

在進(jìn)行該步驟之前，軟件會根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能將項(xiàng)目分割成若干個瓦片進(jìn)行單獨(dú)的模型重建，這可解決計(jì)算機(jī)性能的不足，也方便采用集群運(yùn)算模式時的任務(wù)分配[8]。根據(jù)空中三角測量運(yùn)算出的影像外方位元素，通過多視影像密集匹配即可獲得高密度的地表點(diǎn)云，生成的點(diǎn)云（如圖3所示）。點(diǎn)云生成后系統(tǒng)還可繼續(xù)生成DSM、DOM，本次生成了試驗(yàn)區(qū)DOM作為點(diǎn)云分類的參考影像。

圖3 地表點(diǎn)云結(jié)果

3.點(diǎn)云濾波及分類

3.1 傾斜攝影測量點(diǎn)云特點(diǎn)

傾斜攝影測量生成的點(diǎn)云與機(jī)載LiDAR點(diǎn)云相比，有以下特點(diǎn)：

3.1.1 傾斜攝影測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)不含回波信息。傾斜攝影測量是基于空中三角測量原理生成點(diǎn)云，LiDAR是屬于回波法反射測量獲得點(diǎn)云[9]，所以傾斜攝影測量點(diǎn)云不含回波次數(shù)和回波強(qiáng)度信息，不能通過回波信息對點(diǎn)云進(jìn)行分類。

3.1.2 傾斜攝影測量點(diǎn)云包含大量的建筑物側(cè)面點(diǎn)云信息。機(jī)載LiDAR可以快速獲取海量的頂面點(diǎn)云，但對地物側(cè)面的信息獲取有限。

3.1.3 傾斜攝影測量點(diǎn)云具有大量的點(diǎn)特征信息、線特征信息和邊緣信息，如建筑物邊緣、道路、斷裂線等，這是LiDAR點(diǎn)云獲取技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。

3.1.4 傾斜攝影測量點(diǎn)云穿透性差，這主要是因?yàn)閮A斜影像中存在較多的建筑、植被遮擋造成的，而機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)則具有較強(qiáng)穿透力，可到達(dá)地面。

3.2 粗差剔除

由于飛行因素影響、傾斜影像的攝影比例尺不一致、分辨率差異、地物遮擋等因素，傾斜攝影測量生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免會有錯誤點(diǎn)、雜點(diǎn)或偏離點(diǎn)等噪聲信息。點(diǎn)云按照分布是否有規(guī)律可分為規(guī)則點(diǎn)云和散亂點(diǎn)云。對于規(guī)則點(diǎn)云可以采取孤立點(diǎn)排異法、鄰域平均法、最小二乘法濾波、云平滑濾波等方法進(jìn)行去噪處理；對于散亂點(diǎn)云，由于難以歸納其分布規(guī)律，則需要在構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)并且構(gòu)建拓?fù)渲笤龠M(jìn)行去噪[2]。對于一些明顯的孤立點(diǎn)、漂移點(diǎn)、冗余點(diǎn)，則采用可視化交互的方式直接進(jìn)行剔除。

3.3 點(diǎn)云濾波

要通過地表點(diǎn)云構(gòu)建DEM，需要將點(diǎn)云中地物腳點(diǎn)去除，這一過程即點(diǎn)云的濾波。目前常用的濾波方法包括移動曲面擬合法、移動窗口濾波法、迭代三角網(wǎng)濾波法等。TerraSolid軟件TerraScan模塊分類地面點(diǎn)云采用迭代三角網(wǎng)濾波法，該方法先將測區(qū)劃分成塊，測區(qū)分塊的最小尺寸要比該地區(qū)最大建筑物尺寸(Max building size)要大，然后從點(diǎn)云中選取最低點(diǎn)以及一定高差范圍內(nèi)的地面點(diǎn)作為地面種子點(diǎn)，建立最初的稀疏三角網(wǎng)，計(jì)算點(diǎn)云中剩余各點(diǎn)到三角網(wǎng)的夾角、距離等信息，與設(shè)定的迭代角（Iteration angle）、迭代距離（Iteration distance）進(jìn)行比較，小于所設(shè)的迭代值，接受為地面點(diǎn)，否則拒絕接受為地面點(diǎn)，重復(fù)以上迭代，直到三角網(wǎng)不再有新的地面點(diǎn)加入，實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)加密的過程[10]。

在迭代參數(shù)設(shè)置方面，最大建筑物尺寸一般設(shè)置為測區(qū)最大建筑物較長的邊長；迭代角是待分類點(diǎn)和三角形的最近頂點(diǎn)的連線與這個三角形所構(gòu)成平面的最大夾角值，地形起伏變化越小，迭代角設(shè)置宜越小，一般在平坦地區(qū)使用較小值（4°），山地使用較大值（接近 10°）；迭代距離是待分類點(diǎn)到這個三角形的最大距離值，它保證了在三角形很大時，重復(fù)向上構(gòu)建三角形沒有大的跳躍，迭代距離通常取值范圍為0.5m～1.5m。本試驗(yàn)區(qū)建筑物尺寸在60m以內(nèi)，北側(cè)建筑區(qū)域地勢平坦，南側(cè)丘陵稍有起伏，最大高差約為30m，故濾波參數(shù)設(shè)置最大建筑物尺寸設(shè)置為60m，迭代角6°，迭代距離1.4m進(jìn)行點(diǎn)云濾波，濾波前后點(diǎn)云對比（如圖4所示）。

圖4 濾波前后對比

3.4 點(diǎn)云人工編輯分類

圖5 DEM渲染效果圖

從圖4可以看出，濾波后大部分建筑物及植被已與地面點(diǎn)云分開，但仍有部分建筑物和植被混雜在地面點(diǎn)云中，這是因?yàn)辄c(diǎn)云濾波算法并不能將所有非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)區(qū)分開；此外，由于植被、建筑遮擋原因，右上方建筑密集區(qū)及右下方植被茂密區(qū)地面點(diǎn)云過于稀疏，出現(xiàn)地形失真情況，這些都需要后期人工編輯及分類。人工編輯的主要目的是剔除自動濾波后未濾掉的少量粗差點(diǎn)、辨別自動分類未正確分類的點(diǎn)和適當(dāng)增加地形失真區(qū)域高程特征點(diǎn)，以達(dá)到控制DEM成果精度的目的。TerraScan模塊提供了強(qiáng)大的多視圖顯示、斷面查看、點(diǎn)云編輯、分類、增加特征線、特征點(diǎn)等工具，編輯時可導(dǎo)入試驗(yàn)區(qū)DOM作為參考地圖，以方便人工編輯。

4.DEM生成

在TerraModeler模塊中采用人工編輯后的地面點(diǎn)進(jìn)行DEM構(gòu)建，通過對關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)三角網(wǎng)，并進(jìn)行內(nèi)插處理后，再實(shí)現(xiàn)格網(wǎng)對柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，得到DEM。試驗(yàn)區(qū)DEM成果（如圖5所示）。

5.結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量具有高速靈活、高效可靠、低成本的優(yōu)勢，Smart3D與TerraSolid軟件結(jié)合，可快速處理由無人機(jī)傾斜設(shè)備獲取的影像生成DEM，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法強(qiáng)度大、效率低、周期長的缺點(diǎn)，比較適合于小范圍、建筑及植被密度較低區(qū)域的DEM快速生產(chǎn)，在災(zāi)害應(yīng)急測繪、土石方估算、困難地區(qū)勘測等方面具有良好應(yīng)用前景。本文僅從生產(chǎn)的可行性方面對無人機(jī)傾斜攝影測量生產(chǎn)DEM方法進(jìn)行探討，未涉及生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制及DEM精度評估，需要進(jìn)一步研究。