基于Context Capture傾斜攝影三維建模及其精度分析

李策

（華北理工大學(xué)，河北 邢臺 055550）

1 引言

傳統(tǒng)的航空攝影主要獲取測區(qū)的垂直視角的影像，對于地物的側(cè)面信息卻難以獲取，傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)打破了這一局限，它可以在一個平臺上同時搭載多個不同角度的相機(jī)對地物進(jìn)行攝影，可以獲取地物豐富的側(cè)面信息[1-2]。ContextCapture軟件可以將從不同角度獲取的影像進(jìn)行影像匹配、空三加密并生成高精度的三維模型。三維模型的精度往往是人們最關(guān)心的問題，本文將通過實例進(jìn)行三維建模，并對三維模型的精度進(jìn)行分析。

2 傾斜攝影原理

傾斜攝影是一種從多角度獲取地物信息的新型航空攝影技術(shù)，在同一平臺上搭載多個不同角度的相機(jī)對地物進(jìn)行攝影，可以獲取地物豐富的側(cè)面紋理信息，并且可以獲取超高分辨率的影像，結(jié)合無人機(jī)搭載的GPS/IMU系統(tǒng)獲取的POS信息以及外業(yè)量測的像控點數(shù)據(jù)，通過相關(guān)軟件進(jìn)行處理獲取三維模型、數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像的攝影測量技術(shù)。

3 傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多視影像聯(lián)合平差

與傳統(tǒng)的航空攝影不同，傾斜攝影不僅獲取垂直視角的影像，同時還獲取了大量側(cè)面視角的影像，以往的同名點自動提取算法只適用于垂直影像。在進(jìn)行多視影像聯(lián)合平差時需要考慮到影像的幾何變形等問題，將曝光瞬間GPS/IMU系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)作為初始值，采用金字塔由粗到細(xì)的匹配方法，對每一級進(jìn)行同名點提取，結(jié)合光束法區(qū)域網(wǎng)平差，并將外業(yè)量測的像控點數(shù)據(jù)參與平差，可以獲得較好的平差結(jié)果。

3.2 多視影像密集匹配

影像匹配的準(zhǔn)確性直接決定了空三質(zhì)量，常規(guī)航空攝影大多采用基于灰度或基于特征的單基元影像匹配方法。而傾斜影像具有幾何變形大、分辨率變化大的特點，導(dǎo)致單基元的匹配方法在匹配過程中往往出現(xiàn)“病態(tài)解”，降低了匹配精度。為了解決傾斜影像的匹配問題，一些專家學(xué)者提出了多視影像密集匹配算法，通過大量的實驗證明多視影像密集匹配可以獲取高精度、高密度的點云，較好地解決了傾斜影像的匹配問題。目前最常用的密集匹配方法有帶共線條件的多片最小二乘影像匹配方法、基于多基元多影像匹配方法、基于物方面元的多視立體匹配方法。

3.3 三維建模

通過多視影像密集匹配獲取的高密度點云可以構(gòu)建三維TIN模型，然后在TIN模型的基礎(chǔ)上通過傾斜影像進(jìn)行自動紋理映射，將對應(yīng)紋理貼到模型表面，最終完成三維建模。本文選取的三維建模軟件為ContextCapture。

4 應(yīng)用實例

4.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于山東青島某地區(qū)，測區(qū)覆蓋面積約為0.31平方公里。測區(qū)大多為居民區(qū)，樓房居多。當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)使用1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)，當(dāng)?shù)刂醒胱游缇€為120°，飛行環(huán)境良好。

4.2 數(shù)據(jù)獲取

本項目使用六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，相對航高為120m，航向、旁向重疊率均為70%，一共飛行10條航帶，照片數(shù)量為1730張。

4.3 數(shù)據(jù)處理

本項目使用的航空攝影軟件為ContextCapture，這是一款專業(yè)的傾斜攝影處理軟件，可以生產(chǎn)出高精度的三維模型以及數(shù)字表面模型。

ContextCapture可以生成高密度點云，可以根據(jù)點云生成不規(guī)則的三角網(wǎng)即TIN，生成的白膜，對白膜賦予紋理最終生成的三維模型。

5 精度分析

本項目像控點布設(shè)采用五點法，在測區(qū)四周各布設(shè)一個像控點，測區(qū)中間布設(shè)一個像控點。為了驗證三維模型的精度，在測區(qū)中間均勻布設(shè)了20個特征地物點作為檢查點（如斑馬線、拐角點等）。像控點和檢查點均使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行量測，并將外業(yè)量測的坐標(biāo)作為真實值。在模型上提取檢查點的坐標(biāo)，并與外業(yè)量測的坐標(biāo)做對比，分別計算平面及高程中誤差。

根據(jù)平面點位中誤差計算公式可以計算出檢查點的平面點位中誤差。

由公式（1）可以得出，檢查點平面中誤差為0.109m，其中平面最小誤差為0.024m，平面最大誤差為0.183。

各檢查點的高程誤差統(tǒng)計如表1所示：

表1 檢查點高程誤差統(tǒng)計

根據(jù)高程中誤差計算公式可以計算出檢查點的高程中誤差。

由公式（2）可以得出，檢查點高程中誤差為0.158m，其中最小高程誤差為0.021m，最大高程誤差為0.433m。

根據(jù)《1：500、1：1000、1：2000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GB/T 7930-2008），平原地區(qū) 1：500 的平面中誤差限差為0.3m，1：500的高程中誤差限差為0.2m，所以本項目的平面與高程精度均滿足1：500比例尺的地形圖測圖要求。

6 結(jié)語

本文基于六旋翼無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，使用ContextCapture對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成了測區(qū)的三維模型，通過將外業(yè)實際量測的檢查點坐標(biāo)與從模型上提取的坐標(biāo)做對比，并進(jìn)行精度分析，說明了本項目的平面跟高程坐標(biāo)均滿足1：500比例尺的地形圖測圖要求，為實際生產(chǎn)地形圖提供了理論依據(jù)。