基于Mirauge3D 軟件的傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)研究

董繼宏

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

近年來(lái)，隨著相機(jī)重量減輕、相機(jī)分辨率提高、無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間增加、定位精度不斷提高等[1-3]，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量發(fā)展速度迅速提升，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)與生活息息相關(guān)。比如國(guó)土調(diào)查項(xiàng)目、農(nóng)經(jīng)權(quán)項(xiàng)目、國(guó)土資源普查項(xiàng)目、房屋立面改造項(xiàng)目、農(nóng)村房地一體登記頒證項(xiàng)目、實(shí)景三維中國(guó)項(xiàng)目等，都采用了攝影測(cè)量技術(shù)[4-7]，而且攝影方式由垂直攝影變?yōu)閮A斜攝影，獲取的影像分辨率更高、影像質(zhì)量更高。然而傾斜攝影一般要求航向、旁向重疊度為80%，航飛高度一般在千米之下，通常搭載5鏡頭獲取影像數(shù)據(jù)[8-9]。這樣一來(lái)，獲取的影像較傳統(tǒng)垂直攝影來(lái)說(shuō)，不但數(shù)量增加了很多，而且角度也是非常大的，這為數(shù)據(jù)解算帶來(lái)了挑戰(zhàn)[10]。本文在分析了傾斜攝影的特點(diǎn)后，對(duì)參與解算的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，然后以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，采用Mirauge3D 軟件進(jìn)行空三解算和實(shí)景三維模型生產(chǎn)。利用檢測(cè)點(diǎn)對(duì)模型精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：采用本文的方法，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行空三解算，不但在一定程度上提升了空三解算的效率，而且空三解算的成功率也有了一定的提升，并且基于該空三生產(chǎn)的模型精度可以達(dá)到4.5cm，可以滿足1:500 地形圖生產(chǎn)需求，為大比例尺地形圖生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的方案。

1 傾斜攝影技術(shù)概述

主要從傾斜攝影的概念和原理、建模流程和軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影是指在飛行平臺(tái)上掛載多鏡頭相機(jī)，從空中對(duì)地面進(jìn)行多角度、全方位、高分辨率影像數(shù)據(jù)采集。飛行平臺(tái)通常是有人機(jī)、無(wú)人機(jī)等，目前主要以無(wú)人機(jī)為主。多鏡頭相機(jī)主要有2 鏡頭搖擺相機(jī)、3 鏡頭相機(jī)、5 鏡頭相機(jī)甚至更多鏡頭，這里以5 鏡頭為例對(duì)多鏡頭的組成進(jìn)行講解。5 鏡頭相機(jī)由1 個(gè)下視相機(jī)和4 個(gè)側(cè)視相機(jī)，通常側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)夾角為45度。航空攝影測(cè)量中，相機(jī)焦距、飛機(jī)飛行的相對(duì)航高、相機(jī)的像元大小和地面影像分辨率滿足以下關(guān)系：

H=f*GSD/a（1）

其中，H 是相對(duì)航高，即飛機(jī)距離地面的高度，在航線規(guī)劃時(shí)已經(jīng)規(guī)劃好的，單位為m；f 是相機(jī)焦距，在相機(jī)選擇后，其焦距基本上是一個(gè)定值，單位為mm；GSD 是獲取的影像地面分辨率，該值主要根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行設(shè)置，單位為m；a 是像元大小，相機(jī)選擇后，該值不會(huì)再發(fā)生改變，單位為mm。通過(guò)式（1）可以看出，當(dāng)相機(jī)被選定后，即f 和a 是固定值，地面影像的分辨率GSD 只和相對(duì)航高H 有關(guān)。在傾斜攝影時(shí)，當(dāng)下視鏡頭完全垂直于地面，記其航高為H下，則側(cè)視鏡頭與地面呈45 度夾角。由直角三角形可知，此時(shí)側(cè)視鏡頭中心到側(cè)視影像中心的距離H側(cè)為H下的1.4 倍，而航高和地面分辨率在數(shù)值上成正相關(guān)，這樣一來(lái)，H側(cè)獲取的影像分辨率在數(shù)值上是H下的1.4 倍。當(dāng)要獲取1.5cm 的下視影像時(shí)，如果側(cè)視焦距和下視焦距相同，則獲取的影像分辨率是2.1cm，無(wú)法滿足需求，因此需要對(duì)焦距進(jìn)行調(diào)整。假設(shè)下視焦距是35mm，通過(guò)式（1）可知，將側(cè)視焦距調(diào)整至50mm，這樣就可以獲取分辨率一致的影像。

1.2 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模主要包括外業(yè)和內(nèi)業(yè)，外業(yè)工作內(nèi)容有：測(cè)區(qū)的勘察與資料收集、航線規(guī)劃、像控點(diǎn)點(diǎn)位選址與噴涂、像控點(diǎn)測(cè)量、無(wú)人機(jī)航空攝影任務(wù)實(shí)施、航攝質(zhì)量檢查、成果整理與提交；內(nèi)業(yè)工作內(nèi)容有：對(duì)外業(yè)提交的成果進(jìn)行整理備份、數(shù)據(jù)預(yù)處理、工程創(chuàng)建與完善、空中三角測(cè)量解算、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差、實(shí)景三維模型生產(chǎn)等，其主要流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程

1.3 傾斜攝影建模軟件

傾斜攝影建模軟件是針對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)解算而開(kāi)發(fā)的軟件，目前常見(jiàn)的有ContextCapture、Photo Mesh、PhotoScan、瞰景Smart3D、大疆智圖、dp-Smart、Mirauge3D 等。在本文中，將使用Mirauge3D 軟件進(jìn)行空三解算和實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在分析了傾斜攝影的特點(diǎn)后，針對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)，提出以下幾方面的優(yōu)化。

2.1 降低參與運(yùn)算的影像數(shù)量

傾斜攝影因?yàn)槭? 鏡頭，且重疊度高，因此其影像冗余度很大。通過(guò)分析可知，當(dāng)垂直鏡頭能夠覆蓋任務(wù)區(qū)邊緣時(shí)，存在某個(gè)鏡頭拍攝的影像在任務(wù)區(qū)范圍線外，這樣的影像對(duì)后期數(shù)據(jù)建模是無(wú)用的，因此這類影像是沒(méi)必要使用的。通過(guò)分析航向和5 鏡頭之間的相對(duì)關(guān)系，可以很容易得到任務(wù)線范圍外的影像，對(duì)這部分影像進(jìn)行剔除，可以降低影像冗余度，提高數(shù)據(jù)的解算速度。

2.2 解決POS 與影像不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題

傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量，一張有效影像對(duì)應(yīng)一個(gè)有效POS，在傾斜攝影中，增加了側(cè)視鏡頭，但并沒(méi)增加記錄側(cè)視鏡頭的POS 裝置，這樣使得POS 和影像無(wú)法一一對(duì)應(yīng)。在傾斜攝影中，記錄的1 組POS 是下視鏡頭的POS。在數(shù)據(jù)解算的過(guò)程中，利用下視POS 來(lái)代替?zhèn)纫曠R頭的POS，雖然下視POS 和側(cè)視鏡頭的真實(shí)POS 相差不大，但是畢竟不準(zhǔn)確，對(duì)后期數(shù)據(jù)解算的成功率和精度都有一定的影響。以下視鏡頭POS 和平臺(tái)檢校參數(shù)可以解算得到側(cè)視鏡頭對(duì)應(yīng)的POS 數(shù)據(jù)。通過(guò)利用Matlab語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫，對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到側(cè)視影像對(duì)應(yīng)的唯一坐標(biāo)值。

2.3 均衡影像質(zhì)量

由于5 鏡頭進(jìn)光角度和進(jìn)光量不同，所以5 鏡頭影像一般都存在一定的色差，這為后期數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解算帶來(lái)了影響。在分析了5 鏡頭影像的特點(diǎn)后，采用PhotoShop 軟件，對(duì)每個(gè)鏡頭的某一幅地物豐富、對(duì)比度高的影像進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使其不同波段的值盡量符合正態(tài)分布，然后將調(diào)整的參數(shù)記錄下來(lái)。通過(guò)創(chuàng)建動(dòng)作，對(duì)其余影像進(jìn)行自動(dòng)批處理，從而提升影像的質(zhì)量，圖2 是處理前的RGB 的色階分布圖，圖3 是處理后的RGB色階分布圖。通過(guò)圖2 和圖3 可以看出，在對(duì)影像進(jìn)行一系列參數(shù)調(diào)整后，其色階圖有了明顯的變化，調(diào)整后的色階圖更符合正態(tài)分布。

圖2 處理前的RGB 色階分布圖

圖3 處理后的色階分布圖

3 實(shí)際案例

3.1 測(cè)區(qū)勘察與資料收集

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于河湖確權(quán)項(xiàng)目，長(zhǎng)約15km，寬約100m，測(cè)區(qū)地形起伏較大。已有數(shù)據(jù)為國(guó)土三調(diào)遙感影像數(shù)據(jù)，主要用來(lái)作為工作底圖。

3.2 像控點(diǎn)布設(shè)與采集

由于是帶狀區(qū)域，且寬度才100 米，采用對(duì)稱式布點(diǎn)，明顯需要布設(shè)加密點(diǎn)多，因此在布點(diǎn)時(shí)，采用兩側(cè)交叉布點(diǎn)的方案。所謂交叉布點(diǎn)，就是指兩側(cè)點(diǎn)位的連線與范圍線的長(zhǎng)邊夾角基本上呈一個(gè)小的銳角或者一個(gè)大的鈍角，而不是在90 度左右。按照1km 一個(gè)點(diǎn)，交叉共布設(shè)32 個(gè)像控點(diǎn)，在精度薄弱區(qū)域布設(shè)10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。采用GPS-RTK 進(jìn)行像控點(diǎn)坐標(biāo)采集，在采集前，采用紅白油漆進(jìn)行點(diǎn)位噴涂，如圖4 所示，然后儀器對(duì)中整平，當(dāng)狀態(tài)為“固定解”時(shí)進(jìn)行采集，每個(gè)點(diǎn)位采集5 次，然后取均值作為最終的測(cè)量成果。

圖4 噴涂的像控點(diǎn)點(diǎn)位標(biāo)志

3.3 航線規(guī)劃

使用地面站軟件對(duì)航線進(jìn)行規(guī)劃，設(shè)置航向重疊度為85%，旁向重疊度為80%，確保在距離地面近地點(diǎn)處獲得的影像能夠滿足航飛重疊度要求。影像地面分辨率最低為5cm，最高為3.5cm，沿著河流走向進(jìn)行航線敷設(shè)。因?yàn)楹恿鲗挾容^窄，所以只規(guī)劃了3 條航線，這樣在保證作業(yè)效率的前提下，也保證了數(shù)據(jù)解算的成功率，因?yàn)橐粭l或2 條航線在空三解算時(shí)，失敗率非常高。

3.4 影像數(shù)據(jù)獲取

航線規(guī)劃好后，將任務(wù)上傳給飛行控制中心，飛行控制中心根據(jù)上傳的任務(wù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集。在無(wú)人機(jī)正式起飛前，需要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行檢查，主要對(duì)安裝固定、電池電量和儲(chǔ)存卡是否能夠正常讀寫進(jìn)行檢查，在確保一切滿足航飛要求后進(jìn)行升空采集影像。在采集的過(guò)程中，時(shí)刻通過(guò)地面站對(duì)航飛狀態(tài)進(jìn)行觀察，確保飛行狀態(tài)時(shí)刻是受控的。在影像數(shù)據(jù)獲取后，對(duì)影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行快速檢查，確保航飛提交到內(nèi)業(yè)的成果是可正常使用解算的。

3.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括剔除冗余無(wú)效影像、解決POS 不對(duì)應(yīng)問(wèn)題和提升影像質(zhì)量。在本次作業(yè)中，剔除了1452 張影像，剔除率約為15%。利用Matlab 編寫開(kāi)發(fā)小程序，對(duì)POS 不對(duì)應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行處理。以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相機(jī)檢校平臺(tái)，對(duì)側(cè)視鏡頭POS 進(jìn)行解算，解算后所有影像都有唯一的POS 與之對(duì)應(yīng)。利用PhotoShop 軟件對(duì)影像進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)色，提升影像整體質(zhì)量。

3.6 空三解算

為了驗(yàn)證本文的預(yù)處理環(huán)節(jié)對(duì)后續(xù)的空三解算有效，在本次數(shù)據(jù)解算環(huán)節(jié)，用預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，結(jié)果如下：3.6.1 利用Mirauge3D 軟件對(duì)預(yù)處理前的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，解算耗時(shí)14h，通過(guò)人機(jī)交互方式對(duì)空三成果進(jìn)行查看，空三呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，解算報(bào)告中加密點(diǎn)重投影中誤差為0.61pixel，雖然沒(méi)有超限，但是空三彎曲，理論上來(lái)說(shuō)，成果是不可用的。當(dāng)然，這種情況有時(shí)可通過(guò)控制點(diǎn)進(jìn)行平差糾正。3.6.2 利用Mirauge3D 軟件對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，解算耗時(shí)11.3h，通過(guò)人機(jī)交互方式查看空三成果，空三成果基本上符合實(shí)際地形，且POS 基本上在一個(gè)平面上，符合航攝狀態(tài)，空三成果可用。查看空三解算報(bào)告可知，其加密點(diǎn)重投影中誤差為0.48pixel，精度滿足相關(guān)規(guī)范要求，且比處理前的空三精度略高。

3.7 像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺平差

對(duì)上述兩個(gè)空三成果均進(jìn)行像控點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺，轉(zhuǎn)刺原則按照能看見(jiàn)的，不被遮擋的均進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，然后進(jìn)行平差，平差結(jié)果如下：3.7.1 預(yù)處理前的空三通過(guò)平差后，其狀態(tài)由曲變平，空三成果可用，平差耗時(shí)1.2h，平差后的像控點(diǎn)精度為0.021m，檢測(cè)點(diǎn)精度為0.045m，成果均滿足規(guī)范要求。3.7.2 預(yù)處理后的空三平差完成后，其耗時(shí)0.7h，平差后的像控點(diǎn)精度為0.013m，檢測(cè)點(diǎn)精度為0.027m，成果均滿足規(guī)范要求。較3.7.1的結(jié)果，其空三精度高，轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)、平差均耗時(shí)短，所以表明預(yù)處理提升了空三的平差效率和空三成果精度。

3.8 三維模型制作

基于3.7 中平差后的空三成果進(jìn)行模型生產(chǎn)，結(jié)合電腦配置，設(shè)置相同的框架坐標(biāo)系統(tǒng)、瓦片大小和原點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)入同一任務(wù)區(qū)范圍線進(jìn)行模型生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)建模時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，②較①建模耗時(shí)減少了10%，對(duì)于小面積來(lái)說(shuō)，相差不大，但是對(duì)于大面積數(shù)據(jù)建模，這個(gè)比例是非?？捎^的。通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)模型進(jìn)行查看，特別是范圍線邊緣的模型。從模型精細(xì)度、結(jié)構(gòu)、紋理等方面進(jìn)行查看，兩個(gè)空三生產(chǎn)的模型基本上相同，表明剔除影像并沒(méi)有對(duì)建模效果帶來(lái)影響。

4 精度統(tǒng)計(jì)與分析

采用10 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)兩組最終的模型成果精度進(jìn)行人機(jī)交互式檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1。

表1 檢測(cè)點(diǎn)精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表單位：cm

采用平均值來(lái)代替中誤差，對(duì)表1 結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，①的模型中誤差為5.3cm，②的模型中誤差為4.5cm，兩組模型精度均能夠滿足1:500 地形圖精度需求，但是整體來(lái)說(shuō)，②的精度更高，成果更可靠，也表明通過(guò)預(yù)處理，提升了后期模型的精度。

5 模型存在的問(wèn)題及解決方案

本次生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要是河流，因此存在一個(gè)主要的問(wèn)題是模型水域存在空洞，紋理未映射上，如圖5 所示。

圖5 模型水域部分成果圖

通過(guò)圖5 可以看出，模型破損主要位于水域部分，這是因?yàn)樗驅(qū)儆谔卣鞑幻黠@區(qū)域，也就是通常說(shuō)的弱紋理區(qū)域。因?yàn)樗娣浅Ｏ嗨疲词固岢錾倭康奶卣鼽c(diǎn)，在后期平差糾正的時(shí)候，也會(huì)因?yàn)橄嗨贫葮O高，而被作為錯(cuò)誤點(diǎn)進(jìn)行剔除，使得水域部分加密點(diǎn)極少，甚至沒(méi)有加密點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出以下兩種修補(bǔ)水面的方案：

5.1 利用范圍線進(jìn)行約束建模

首先生產(chǎn)得到水域模型，然后在測(cè)圖軟件中，采集得到水域的邊界線和高程，然后通過(guò)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為建模軟件認(rèn)可的kml 文件，最后將該文件導(dǎo)入建模軟件中，對(duì)水域部分進(jìn)行約束建模。

5.2 借助修模軟件進(jìn)行修模

利用武漢天際航的DP 或智覺(jué)空間的SVS 進(jìn)行水域部分模型的修補(bǔ)。首先刪除水域邊界線內(nèi)破損的模型，然后對(duì)空洞進(jìn)行填充。通過(guò)空三成果，對(duì)水域部分的紋理進(jìn)行自動(dòng)映射，當(dāng)映射效果不能滿足要求時(shí)，采集需要修改的區(qū)域，聯(lián)動(dòng)PS 軟件進(jìn)行紋理貼圖的修飾，最后重新映射至模型上，這樣就可以得到符合要求的水域模型了。

結(jié)束語(yǔ)

本文首先結(jié)合傾斜攝影的特點(diǎn)，對(duì)影像進(jìn)行了一系列的預(yù)處理，然后采用對(duì)比分析的方法，對(duì)預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空三解算和模型生產(chǎn)，結(jié)果表明：通過(guò)預(yù)處理，數(shù)據(jù)解算效率、空三解算通過(guò)率和成果精度均有了一定的提升，且模型質(zhì)量并沒(méi)有降低。對(duì)于空三解算效率低、空三通過(guò)率低、建模效率低等問(wèn)題均有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，可以為同行作業(yè)人員提供有效參考，提升傾斜數(shù)據(jù)解算質(zhì)量。