基于實(shí)景三維模型地形圖繪制的關(guān)鍵技術(shù)探討及誤差來源分析

冀占偉

科技創(chuàng)新

基于實(shí)景三維模型地形圖繪制的關(guān)鍵技術(shù)探討及誤差來源分析

冀占偉

基于傾斜攝影測(cè)量制作的實(shí)景三維模型應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，實(shí)景三維模型以其真實(shí)的場(chǎng)景還原，正在成為事實(shí)上主流的地形圖采集方式?，F(xiàn)以實(shí)景三維模型的生產(chǎn)流程為切入點(diǎn)，對(duì)模型生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，對(duì)誤差來源進(jìn)行分析。

實(shí)景三維模型；關(guān)鍵技術(shù)；誤差來源

地形圖是水利工程建設(shè)的關(guān)鍵要素，隨著測(cè)繪技術(shù)不斷進(jìn)步，地形圖測(cè)繪由最初的白紙測(cè)圖、經(jīng)緯儀測(cè)圖、全站儀測(cè)圖、GNSS RTK測(cè)圖、立體測(cè)圖，發(fā)展到如今的實(shí)景三維模型測(cè)圖。隨著測(cè)圖方式的變化，測(cè)圖的誤差來源也越來越復(fù)雜，影響測(cè)圖精度的因素也越來越多。1∶500、1∶1000、1∶2000的大比例尺地形圖測(cè)繪中，地形地物的平面位置允許中誤差為圖上0.6mm（平地、丘陵地），高程注記中誤差分別為1/4基本等高距（平地、丘陵地）。準(zhǔn)確的誤差來源分析，有助于減小誤差影響?，F(xiàn)分析基于實(shí)景三維模型測(cè)圖的關(guān)鍵技術(shù)和誤差來源，并且基于該誤差來源提出相應(yīng)的對(duì)策措施，為滿足大比例尺地形圖測(cè)繪提供參考依據(jù)。

1.實(shí)景三維模型的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是傳統(tǒng)豎直攝影測(cè)量的新發(fā)展，基于飛行平臺(tái)上同時(shí)搭載下視、側(cè)視多臺(tái)傳感器或一臺(tái)傳感器擺動(dòng)采集，多角度采集影像，克服傳統(tǒng)攝影測(cè)量只能獲取地物頂部影像的局限。獲取的影像數(shù)據(jù)分辨率高、側(cè)面紋理信息豐富。通過具備協(xié)同并行處理能力的傾斜攝影軟件（ContextCapture、瞰景smart3D等）經(jīng)過一列計(jì)算生成的實(shí)景三維模型，能夠相對(duì)真實(shí)的立體還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)憑借其高現(xiàn)勢(shì)性、快速獲取等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)急救災(zāi)、數(shù)字孿生城市、資源保護(hù)利用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。依據(jù)實(shí)景三維模型進(jìn)行地形地物采集，相較于其他常用的測(cè)圖方法，數(shù)據(jù)獲取效率高，將繁重的外業(yè)工作轉(zhuǎn)入室內(nèi)，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約了生產(chǎn)成本，正在越來越多的應(yīng)用到測(cè)圖實(shí)踐中。

傾斜攝影測(cè)量作為攝影測(cè)量技術(shù)的再發(fā)展，同樣基于影像的內(nèi)外方位元素匹配連接點(diǎn)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、密集點(diǎn)云生成等流程，但由于傾斜攝影的影像數(shù)量、拍攝角度、基高比等有別于傳統(tǒng)的攝影測(cè)量，因此在處理傾斜攝影測(cè)量影像時(shí)存在以下幾方面難點(diǎn)。

1.1 多視影像連接點(diǎn)匹配

影像的連接點(diǎn)匹配使不同影像之間建立連接關(guān)系。將所有影像通過建立特征關(guān)系進(jìn)行整合，連接點(diǎn)匹配的大量同名點(diǎn)將參與后續(xù)的光束法平差。多視影像自動(dòng)匹配面臨影像拍攝傾角大引起的變形、高重疊度帶來的紋理冗余及傾斜視角下的建筑物遮擋。目前多角度的影像匹配算法通常側(cè)重于影像的旋轉(zhuǎn)、平移、尺度、仿射變換處理，常用的有SIFT算法以及基于SIFT的改進(jìn)算法，基于深度學(xué)習(xí)的影像匹配算法也正在逐步應(yīng)用于特征匹配算法之中。

1.2 多視光束法平差

光束法平差以影像的光束為基本平差單元，基于共線方程的數(shù)學(xué)模型，以相鄰影像的連接點(diǎn)對(duì)相交且坐標(biāo)相等、外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)坐標(biāo)相等為平差條件，列出已知控制點(diǎn)和加密連接點(diǎn)的誤差方程進(jìn)行最小二乘平差計(jì)算，求解出影像精確的外方位元素，然后進(jìn)行前方交會(huì)求出加密點(diǎn)地面坐標(biāo)。由于匹配的連接點(diǎn)中粗差連接點(diǎn)的存在，且多為大重疊度連接點(diǎn)，因此光束法聯(lián)合平差之前需要進(jìn)行連接點(diǎn)粗差探測(cè)及剔除及自由網(wǎng)平差內(nèi)精度復(fù)核等步驟，然后進(jìn)行多視影像的聯(lián)合平差。

1.3 傾斜影像密集匹配點(diǎn)云

多視影像的密集匹配是精細(xì)三維建模的關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在得到高精準(zhǔn)度的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差完成后，依據(jù)求解的影像外方位元素，基于計(jì)算機(jī)視覺算法密集匹配多視影像上的盡可能多的連接點(diǎn)。由于多視影像產(chǎn)生的冗余能夠有效糾正密集匹配產(chǎn)生的錯(cuò)誤，提高點(diǎn)云精度，同時(shí)由于多角度拍攝很大程度上彌補(bǔ)了遮擋盲區(qū)，減少攝影死角的影響。高重疊度及高分辨率能夠大大提高點(diǎn)云質(zhì)量。

1.4 實(shí)景重建

密集點(diǎn)云匹配完成之后，構(gòu)建點(diǎn)云間的不規(guī)則三角網(wǎng)，完成物體的模型重構(gòu)。越復(fù)雜的地物，理論上完成重構(gòu)需要的三角網(wǎng)越精細(xì)、越復(fù)雜。不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建完成之后，需要將影像中的紋理進(jìn)行映射，得到真實(shí)色彩的三維模型。紋理映射需要解決最佳相片的選擇問題和紋理色的過渡問題，最佳相片的選擇可以利用某紅算法對(duì)相片進(jìn)行分析，選擇最符合預(yù)期的影像。紋理色過度多使用標(biāo)準(zhǔn)的泊松融合法。

上面分析的4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)景三維建模中需要不斷研究改善的技術(shù)，隨著傾斜攝影測(cè)量軟件的不斷更新改進(jìn)必將得到改善。

2.主要誤差來源分析

基于實(shí)景三維模型進(jìn)行地形圖繪制需經(jīng)過外業(yè)航飛、內(nèi)業(yè)影像處理（主要包括影像連接點(diǎn)匹配、空中三角測(cè)量、密集點(diǎn)云匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建和紋理映射）以及地形地物采集等步驟。綜合誤差來源主要有相機(jī)引起的誤差、外業(yè)航飛引起的誤差、像控點(diǎn)引起的誤差、空中三角測(cè)量引起的誤差以及地形圖繪制產(chǎn)生的誤差。

2.1 相機(jī)引起的誤差

由于量測(cè)相機(jī)的價(jià)格昂貴，一般無人機(jī)搭載的均為非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)。數(shù)碼相機(jī)的誤差包括機(jī)械、光學(xué)和電學(xué)誤差。機(jī)械誤差是指在光學(xué)鏡頭攝取的影像轉(zhuǎn)化到數(shù)字化陣列影像這一步產(chǎn)生的誤差。機(jī)械誤差由掃描陣列不平行于光學(xué)影像使數(shù)字化影像相對(duì)于光學(xué)影像有旋轉(zhuǎn)和每個(gè)陣列元素尺寸不同而產(chǎn)生不均勻變形引起。光學(xué)誤差及光學(xué)畸變差，是攝影機(jī)物鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作和裝配誤差所引起的像點(diǎn)偏離其正確成像位置的點(diǎn)位誤差，分為徑向畸變差和離心畸變差。徑向畸變差使構(gòu)像點(diǎn)沿向徑方向偏離其準(zhǔn)確位置，而離心畸變是由于鏡頭光學(xué)中心和幾何中心不一致引起的誤差，它使構(gòu)像點(diǎn)沿向徑方向和垂直于向徑方向都偏離其正確位置。電學(xué)誤差由行同步誤差、場(chǎng)同步誤差與采樣誤差組成。行同步誤差是指視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化時(shí)影像每行開頭處的同步信號(hào)產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，場(chǎng)同步誤差是指影像奇數(shù)行與偶數(shù)行間的錯(cuò)位。采樣誤差是指由于時(shí)鐘頻率不穩(wěn)引起的采樣間隔誤差。

2.2 影像采集引起的誤差

無人機(jī)由于諸多限制因素，導(dǎo)致機(jī)身自重較小，航拍過程中容易受氣流影響導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn)定，影響像片的傾角、旋偏角、重疊度等。

相機(jī)拍攝時(shí)間與pos定位時(shí)間的同步誤差、機(jī)載RTK模塊的定位精度引起的相片初始外方位元素的誤差。

多視相機(jī)曝光的瞬間，動(dòng)態(tài)的感光元件和靜態(tài)的被攝物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致成像模糊，產(chǎn)生拖尾，也就是影像位移。影像位移直接影響相機(jī)的成像質(zhì)量，影響后期數(shù)據(jù)處理，使得空中三角測(cè)量精度難以保證，像移量的大小與無人機(jī)巡航速度、被攝物體地面分辨率等因素有關(guān)。壓縮曝光時(shí)間能夠明顯改善像移量，但快門速度過快容易導(dǎo)致進(jìn)光量不足，感光度（ISO）數(shù)值增大，使影像產(chǎn)生噪點(diǎn)。或者通過合理的像移補(bǔ)償裝置來改善像移。

2.3 像控點(diǎn)引起的誤差

像控點(diǎn)作為將整個(gè)像方坐標(biāo)系納入物方坐標(biāo)系的關(guān)鍵因素，其引起的誤差主要有像控點(diǎn)采集的誤差和刺點(diǎn)引起的誤差。

截至目前為止，沒有一套完整的像控點(diǎn)布設(shè)和采集標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)單位通常根據(jù)項(xiàng)目需求及經(jīng)驗(yàn)值確定像控點(diǎn)的布設(shè)及采集方案。像控點(diǎn)采集誤差通常由影響GNSS測(cè)量的因素引起，已經(jīng)較為普及，在此不再贅述。

像控點(diǎn)刺點(diǎn)誤差，由于特征點(diǎn)或者提前制作標(biāo)靶的標(biāo)靶中心在影像上以像素的格式呈現(xiàn)，刺點(diǎn)的中心很難保證與測(cè)量的位置完全一致。越高的地面分辨率越能較小刺點(diǎn)誤差。

2.4 空中三角測(cè)量引起的誤差

空中三角測(cè)量是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的核心步驟。利用少量控制點(diǎn)坐標(biāo)，求解連接點(diǎn)坐標(biāo)和影像的外方位元素，用于隨后的密集點(diǎn)云匹配等步驟?？罩腥菧y(cè)量的精度往往也會(huì)直接影響到整個(gè)三維模型的質(zhì)量?？杖用艿恼`差來源為連接點(diǎn)誤差、影像分辨率、平差計(jì)算精度等綜合因素引起的誤差。高質(zhì)量的連接點(diǎn)匹配算法、高精度的像控點(diǎn)、高分辨率等均能減小空三加密的誤差影響。

2.5 地形圖繪制引起的誤差

基于實(shí)景三維測(cè)圖區(qū)別于傳統(tǒng)的立體測(cè)圖，類似于全野外測(cè)圖。但由于實(shí)景三維模型的產(chǎn)品缺陷，導(dǎo)致一些細(xì)小或者柱狀的地物無法判別（如管線），也容易因植被覆蓋等問題導(dǎo)致地類界無法準(zhǔn)確識(shí)別，植被覆蓋下的地物無法判讀。

地物采集過程中，受作業(yè)人員本身的專業(yè)素質(zhì)影響，地形地物綜合取舍容易出現(xiàn)偏差。三維模型局部的精度不穩(wěn)定無法識(shí)別等原因，構(gòu)成了定形圖內(nèi)業(yè)采集的誤差，內(nèi)業(yè)采集需要結(jié)合測(cè)圖實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加以練習(xí)以達(dá)到合理的測(cè)圖要求。