基于Context Capture軟件的傾斜實景三維模型制作技術(shù)探討

星鋒鋒

（濟(jì)寧市勘測院，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)的用途越來越廣泛。在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、應(yīng)急救災(zāi)、電力巡線、農(nóng)業(yè)植保、交通監(jiān)視等方面，無人機(jī)都發(fā)揮著重要的作用?；跓o人機(jī)垂直攝影測量，較傳統(tǒng)人工測量來說，可以快速高效地獲取高精度的測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，已成為測繪地理數(shù)據(jù)獲取的重要方式之一[1-2]。傾斜攝影測量是近幾年發(fā)展起來的一項測繪新技術(shù)，首先介紹了傾斜攝影測量的原理及目前主流的傾斜攝影建模軟件和建模流程，并以實際帶狀數(shù)據(jù)空中三角測量（以下簡稱“空三”）解算為例，對空中三角測量常用的幾種優(yōu)化方式進(jìn)行了介紹，可以有效提升空三解算成功率。基于合格的空三成果生產(chǎn)實景三維模型，并對其精度進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果表明，基于傾斜攝影生產(chǎn)的實景三維模型，精度可以滿足1∶500地形圖精度要求，為大比例尺地形圖采集提供一種可靠高效的作業(yè)方式。

1 傾斜攝影測量技術(shù)介紹

1.1 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量是指在無人機(jī)或者有人機(jī)等航飛裝置上，安裝一臺或多臺可量測或非量測數(shù)碼相機(jī)，從空中對地面進(jìn)行多角度拍攝，獲取地面物體豐富紋理信息的一項技術(shù)[3-5]。然后依據(jù)攝影測量中的共線方程和野外控制點，將攝影測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地測量坐標(biāo)系中，完成對地面物體坐標(biāo)的精準(zhǔn)測量[6]。常見的傾斜攝影搭載的相機(jī)主要有2鏡頭、3鏡頭、5鏡頭甚至更多鏡頭。以5鏡頭為例，其由1個下視鏡頭和4個側(cè)視鏡頭組成，側(cè)視鏡頭主要獲取地面目標(biāo)的側(cè)面紋理信息，下視鏡頭可以直接獲取地面目標(biāo)的頂部信息。傾斜攝影較傳統(tǒng)的垂直攝影，其重疊度要求更高，普遍要求航向、旁向均為80%，這使得數(shù)據(jù)量成本提升，存在很多的冗余影像。冗余影像雖然為數(shù)據(jù)解算帶來了一定的影響，但是由于是多鏡頭、多角度獲取影像，使得影像成果的可用信息大幅度提升，這為高精度空三成果以及后續(xù)模型等成果奠定了基礎(chǔ)[7]。

5鏡頭相機(jī)，通常側(cè)視焦距比下視焦距要大，這是因為在同一高度，側(cè)視相機(jī)中心點到影像中心點的距離比下視相機(jī)的大，因為存在一個很大的角度。由焦距、航高、像元大小和影像分辨率四者之間的關(guān)系可知，當(dāng)像元大小和影像分辨率相同時，航高和焦距成正比。這里的航高，對于下視鏡頭來說，是飛機(jī)距離地面的垂直距離，對側(cè)視相機(jī)來說，是其距離側(cè)視影像中心點的距離，是一個斜距。假設(shè)側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)之間夾角為45°，則側(cè)視焦距應(yīng)為下視焦距的1.4倍，這樣獲取的影像分辨率才可能一致，才有利于數(shù)據(jù)的解算。

1.2 傾斜攝影建模軟件

傾斜攝影測量軟件是專門針對傾斜數(shù)據(jù)開發(fā)的一款軟件，軟件主要涉及到數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、空三的解算和模型數(shù)據(jù)的輸出。較傳統(tǒng)垂直攝影測量軟件來說，傾斜攝影測量軟件一般可集群作業(yè)，有主控程序和數(shù)據(jù)解算程序（一般稱引擎端）等，部分軟件還支持一機(jī)多開引擎。目前國外主流的建模軟件有Context Capture、像素工廠、街景工廠、Photo Scan、Photo Mesh、Photo Mod、inpho等，國內(nèi)主流建模軟件有上海瞰景的Smart3D、中測智繪的Mirauge3D、大疆智圖、重建大師等，這些軟件均支持集群進(jìn)行空中三角測量解算和模型數(shù)據(jù)輸出。

1.3 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模流程主要包括前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空中三角測量、實景三維模型數(shù)據(jù)輸出和模型精度檢測[8-9]，具體詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影建模流程圖

2 基于Context Capture軟件的傾斜實景三維模型制作

2.1 項目區(qū)介紹

實驗數(shù)據(jù)來源于河湖確權(quán)項目，任務(wù)區(qū)長約50 km，寬約1 km，屬于典型的帶狀區(qū)域。高差約100 m，地面分辨率設(shè)置為5 cm，搭載5鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取。測區(qū)范圍內(nèi)除測區(qū)邊緣按照1 km布設(shè)像控點位，每4個點中間再布設(shè)1個像控點，使其盡可能形成等邊三角形，增加整個區(qū)域后期平差的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括以下幾方面：①影像數(shù)據(jù)處理。刪除試拍無效影像，利用Photoshop軟件創(chuàng)建動作，并對原始影像的亮度和紋理色彩進(jìn)行調(diào)整。②POS數(shù)據(jù)處理。利用ArcGIS軟件，對原始經(jīng)緯度格式的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行定義和投影，將其轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系下。③相機(jī)參數(shù)優(yōu)化。利用少量原始影像，進(jìn)行空三解算，得到準(zhǔn)確度較高的相機(jī)參數(shù)，主要是獲取相機(jī)精確的焦距。

2.3 空中三角測量優(yōu)化研究

空中三角測量解算是傾斜攝影建模整個流程中最重要的環(huán)節(jié)，空三解算成功與否直接影響后續(xù)模型的輸出。帶狀數(shù)據(jù)的空三解算，在傾斜攝影數(shù)據(jù)解算中失敗率較高，為了提升帶狀數(shù)據(jù)的空三解算成功率，在對實際項目生產(chǎn)的過程中，提出了幾種空三優(yōu)化的方案，并對各方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了說明?？杖齼?yōu)化方案主要有以下幾種。

2.3.1 基于Photo Scan進(jìn)行空三加密

Photo Scan是一款很好的空三解算軟件，對于大多數(shù)數(shù)據(jù)來說，都可以一次性解算完成，且可以集群，效率高。但是其輸出模型格式少，較Context Capture軟件而言，其輸出模型成果精細(xì)度較差，因此一般只用該軟件計算空三，模型輸出由Context Capture軟件完成。在項目生產(chǎn)中，該方法有一定的局限性，測區(qū)面積大，會導(dǎo)致其成果需要較大內(nèi)存，在導(dǎo)入Context Capture軟件時，會因內(nèi)存大，導(dǎo)致輸入時內(nèi)存溢出，導(dǎo)入失敗，不適合做大面的傾斜數(shù)據(jù)。

2.3.2 基于相機(jī)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行空三加密

傾斜攝影測量使用的相機(jī)，通常都是經(jīng)過改造的，并沒有對相機(jī)進(jìn)行檢校，因此給出的相機(jī)參數(shù)并不精確。在空三解算過程中，輸入準(zhǔn)確的相機(jī)參數(shù)，可以有效提高空三解算的成功率，因此可對相機(jī)參數(shù)進(jìn)行計算。利用少量照片進(jìn)行空三加密解算，得到5個相機(jī)精確的相機(jī)參數(shù)，將該參數(shù)作為初始值輸入到軟件中，在進(jìn)行空三解算時，以輸入的數(shù)值為依據(jù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)行空三的解算，通過項目實際生產(chǎn)實例，證明了該方案的可行性。

2.3.3 基于分塊合并的方式進(jìn)行空三加密

該方法就是將帶狀數(shù)據(jù)分割成很多小塊，然后每塊進(jìn)行空三加密解算，再利用公共點來進(jìn)行不同塊的接邊。在分割塊的時候，要確保接邊區(qū)域至少有3個像控點能夠公用，這樣可以提高空三解算的成功率。但分割成多個小塊，精度不一、效率較低，接邊區(qū)域模型還是會存在裂縫，不利于后期模型成果的應(yīng)用。

2.3.4 基于Mirauge3D和Context Capture進(jìn)行空三加密

Mirauge3D軟件是中測智繪推出的一款傾斜攝影建模軟件，該軟件依據(jù)導(dǎo)入的POS數(shù)據(jù)，可進(jìn)行自動分塊，然后對每塊進(jìn)行空三加密解算，再進(jìn)行自動融合，得到完整的空三。該軟件空三解算通過率高，但是精度較差，一般不能滿足項目需求，但是通過解算，可以得到比較準(zhǔn)確的外方位元素和加密點坐標(biāo)，可作為成果引入Context Capture軟件中，進(jìn)行像控點的轉(zhuǎn)刺，然后帶著像控點再次進(jìn)行空三加密，得到精度更高的空三成果。該方法需要做2遍空三，效率低，但是成果是一個工程完成的，精度均勻，模型不存在裂縫，有利于后期使用。

2.3.5 基于5路POS進(jìn)行空三加密

通常能夠見到的5鏡頭數(shù)據(jù)，5個相機(jī)是共用一組POS數(shù)據(jù)的，但是實際情況是5個鏡頭對應(yīng)的是5路POS數(shù)據(jù)，雖然5路POS差值不大，但是也會對空三解算帶來影響，降低空三解算的成功率。為了解決這一問題，可以結(jié)合5鏡頭平臺檢校參數(shù)，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，利用平臺檢校參數(shù)對其余4個側(cè)視相機(jī)的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到精確的5路POS數(shù)據(jù)。也可基于下視鏡頭進(jìn)行空三加密解算，得到精準(zhǔn)的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后計算得到4個側(cè)視相機(jī)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，提高空三解算的成功率。

通過以上方式對空三進(jìn)行優(yōu)化，空三解算一次性通過。通過人機(jī)交互方式對空三成果進(jìn)行查看，無明顯的彎曲、分層現(xiàn)象，通過查看加密報告，自由網(wǎng)重投影中誤差為0.51個像素，加密點分布均勻，空三成果質(zhì)量良好。

控制點的轉(zhuǎn)刺對空三的精度極其重要，為了提高本次空三成果的精度，減少影像畸變帶來的精度損失，在實際作業(yè)過程中，對控制點的點位距影像邊緣的距離是有要求的。通過目測估算，對于點位在影像邊緣2 cm內(nèi)的點位不進(jìn)行控制點轉(zhuǎn)刺，對于遮擋、模糊不清的點位不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。其余的點位，能轉(zhuǎn)刺的盡量全部轉(zhuǎn)刺，這樣能夠全包控制點對多數(shù)影像直接進(jìn)行約束。在轉(zhuǎn)刺完控制點后，為了提高運算速率，連接點選擇“保持”，其余參數(shù)默認(rèn)。待平差完成后，查看平差報告，控制點的平面中誤差為0.012 m，高程中誤差為0.008 m，精度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.4 實景三維模型制作

帶狀區(qū)域，多個工程輸出的模型需要接邊，在生產(chǎn)的時候，將決定瓦片命名的原點和模型輸出的原點統(tǒng)一設(shè)置為一個值，該值位于測區(qū)中心點，這樣一來，可以確保最后的模型成果在展示時精度損失最小。結(jié)合電腦配置和項目需求，設(shè)置瓦片大小為100 m，平面簡化為“0”m，輸出分辨率為0.02 m，輸出格式為OSGB，紋理質(zhì)量100%。待所有數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后，對各工程輸出的模型成果進(jìn)行接邊匯總，制作索引文件。

2.5 成果精度統(tǒng)計與分析

利用GPS-RTK在測區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)均勻采集15個檢查點，利用EPS軟件，對模型成果精度進(jìn)行檢測。首先將OSGB格式模型導(dǎo)入到EPS軟件中，再將檢測點導(dǎo)入，然后通過檢測點定位，在模型上采集其對應(yīng)的點位，自動計算較差，得到模型成果的精度統(tǒng)計值，具體檢測較差如表1所示。

表1 檢測點精度統(tǒng)計表（單位：cm）

表1（續(xù)）

通過表1可以看出，15個檢測點中，平面較差最大的為5.9 cm，最小的為3.4 cm；高程較差最大的為5.7 cm，最小的為2.8 cm；三維較差最大為8.2 cm，最小為4.6 cm。平面中誤差為4.6 cm，高程中誤差為4.1 cm，其精度均可以滿足1∶500比例尺地形圖精度需求，可用該方式生產(chǎn)大比例尺地形圖。

3 結(jié)束語

本文對傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行了介紹，以實際生產(chǎn)中帶狀數(shù)據(jù)項目為例，重點對空中三角測量的優(yōu)化方式進(jìn)行了說明，并在項目應(yīng)用中取得了較好的成效。通過對實景三維模型精度進(jìn)行檢測，可知采用傾斜攝影方式生產(chǎn)的模型，精度可滿足1∶500比例尺地形圖精度需求，可為大比例尺地形圖測繪提供新的作業(yè)方式。