基于Smart3D的傾斜攝影空中三角測量優(yōu)化研究

林志東

(漳州通正勘測設(shè)計院有限公司，福建 漳州 363000)

近年來，隨著無人機傾斜影像數(shù)據(jù)處理平臺的發(fā)展，三維建模在測繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外學者在基于影像進行三維模型重建領(lǐng)域進行了大量相關(guān)研究。如王丙濤等[1]提出一種基于傾斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模生產(chǎn)與質(zhì)量分析方法，掀起了傾斜攝影測量技術(shù)的熱潮；王勝利[2]提出城市三維場景快速構(gòu)建的方法，大大提升了三維建模速度；譚仁春等[3]對城市三維建模方法進行了優(yōu)化，提高了建模精度及速度；周小杰等[4]利用無人機傾斜攝影技術(shù)實現(xiàn)免調(diào)繪的大比例尺地形圖測繪方法?？杖郎y量作為傾斜攝影測量過程的重要環(huán)節(jié)，其成果質(zhì)量直接決定著最終產(chǎn)品的數(shù)學精度，目前對于空三測量的優(yōu)化尚缺乏深入研究。本文以莆田市城廂區(qū)華亭鎮(zhèn)郊溪村為例，以Smart3D傾斜影像三維建模系統(tǒng)為基礎(chǔ)，介紹空三測量加密操作方法，分析空三測量中的常見問題并提出相應(yīng)的解決方案。

1 空三測量原理

1.1 空三測量原理

在傾斜攝影測量中，空三角測量是指利用連續(xù)攝取的具有一定重疊度的航攝像片，根據(jù)少量野外實測的地面控制點，以傾斜影像數(shù)據(jù)后處理方法解算獲取加密點的平面坐標和高程?？杖郎y量是傾斜攝影測量過程中的一個重要環(huán)節(jié)，在Smart3D中，空三測量是自動完成的。首先對多視影像進行大量特征點的計算提取，對獲取的特征點采用多基線多特征匹配技術(shù)自動匹配同名點，然后采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法進行整體平差計算。Smart3D進行光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差計算時，會自動剔除粗差點，反復(fù)進行平差計算、點位調(diào)整，直到空三測量結(jié)果滿足要求，從而得到每張影像精確的外方位元素，以供后續(xù)三維重建使用。

1.2 Smart3D空三測量操作步驟

Smart3D空中三角測量包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)整理。根據(jù)測區(qū)范圍選擇影像，剔除無效影像，整理位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)(position and orientation system，POS)數(shù)據(jù)及控制點數(shù)據(jù)，導(dǎo)出文本格式。

(2)影像導(dǎo)入。新建工程將篩選后的影像導(dǎo)入到工程后，并添加POS數(shù)據(jù)。為獲得最佳性能和效果，Smart3D會根據(jù)影像拍攝的物理相機的不同，自動將導(dǎo)入的影像分為一個或多個影像組。

(3)控制點刺點。將野外測量的控制點信息，按照實際位置刺到自動建模系統(tǒng)中。

(4)提交空三測量?？刂泣c刺點完成并檢查無誤后，再進行空三測量提交即可。

2 莆田市郊溪村空三測量優(yōu)化實例分析

2.1 測區(qū)概況

試驗測區(qū)位于莆田市城廂區(qū)華亭鎮(zhèn)郊溪村，測區(qū)面積約0.65 km2，地形起伏落差較小。測區(qū)房屋密度較大，房屋層數(shù)多數(shù)為3～5層。經(jīng)外業(yè)實地探勘，該村周邊無變電站、無高壓電塔，基本具備航飛條件。

2.2 數(shù)據(jù)準備

本試驗使用德國安爾康姆航空科技有限公司的md4-1000四旋翼無人機搭載SONY DSC-RX1RM2雙相機航攝系統(tǒng)于2018年1月25日拍攝，采用井字航線飛行方式，共進行8個架次航高為100 m的飛行拍攝，航向及旁向重疊度為75%，獲取影像11 874張。本試驗區(qū)共布設(shè)了82個控制點，坐標系統(tǒng)為西安80 坐標系。

2.3 空三測量優(yōu)化方法

傾斜攝影空三測量在實景三維建模中有著舉足輕重的作用，空三測量的精度直接影響后期三維建模等成果的質(zhì)量，因此對空三測量進行質(zhì)量優(yōu)化尤為重要。影響空三測量加密精度的因素有多種，本文主要針對影像質(zhì)量、像控點布設(shè)、內(nèi)業(yè)刺點精度等影響因素，提出一套關(guān)于空三測量質(zhì)量優(yōu)化的方法，具體如下：

2.3.1 影像質(zhì)量優(yōu)化

影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響空三測量加密的精度，因此采集航攝照片時需選擇固定焦距、大傳感器尺寸的相機，結(jié)合測區(qū)情況適當降低飛行高度，提高影像分辨率。選擇晴天作業(yè)，航向及旁向重疊度建議設(shè)置為70%～80%，這樣既能保證建模質(zhì)量，又能最大程度提高效率。

2.3.2 像控點布設(shè)優(yōu)化

控制點在外業(yè)對點的選取一般選擇在明顯、易于識別、位置固定且便于量測的地方。圖1所示為本文采用的像控點布設(shè)樣式，使用白色和紅色油漆在地上畫兩個頂角相對的等腰三角形。經(jīng)過多次試飛調(diào)整，發(fā)現(xiàn)控制點大小以80 cm×80 cm為宜。在制作控制點標志時，特別注意將標志中間的兩個三角形刷尖，使控制點標志能清晰顯示，提高內(nèi)業(yè)刺點精度。

圖1 像控點布設(shè)樣式

2.3.3 控制點刺點優(yōu)化

為了避免不同人員在控制點刺點對準確度的影響，本試驗采用一人刺點、一人檢查的方法，以保證刺點精度。盡量選取控制點位置相對居中、無變形且無遮擋影像進行刺點，如圖2、圖3所示，這樣既能減少影像畸變帶來的影響，又能節(jié)省刺點時間，提高工作效率。

2.4 常見問題及解決方案

空三測量受航攝相片的重疊度、相機參數(shù)、POS數(shù)據(jù)等各種信息的錯誤輸入及控制點刺點錯誤等情況的影響，都可能導(dǎo)致空三測量解算出錯甚至解算失敗。本文經(jīng)多次實驗分析，總結(jié)出幾種常見的空三測量解算失敗情況，并提出相應(yīng)解決方案。

圖3 像控點刺點圖

(1)影像信息不完整。應(yīng)重新對每一個控制點進行刺點檢查或檢查是否所刺點影像房屋立面較多或控制點目標處于影像邊緣，必要時可將這類影像適當刪減，再重新提交空三測量運算。若對控制點檢查時并未發(fā)現(xiàn)問題，則考慮是否由于參與空三測量解算的區(qū)塊太大，建議將區(qū)塊按航飛架次分區(qū)域進行空三測量運算。

(2)多幅影像不能用于重建，漂浮于空中；POS出現(xiàn)分層；連接點及POS整體偏離XY平面；連接點及POS出現(xiàn)嚴重變形。針對這類問題主要的解決方式為通過修改默認參數(shù)，將“關(guān)鍵點密度”由“常規(guī)”修改為“高”；將“光學屬性評估模式”由“一步”調(diào)整為“多步”后再進行空三測量解算。若問題沒有得到解決，則再將“切向畸變”、“縱橫比”和“傾斜”由“保持”修改為“平差調(diào)整”后再進行空三測量解算。

(3)控制點平差精度超限。復(fù)制的Block-AT文件，將誤差超過 1個像素控制點的相應(yīng)影像，參考空三測量加密軟件平差計算出的控制點位置，進行刺點調(diào)整或刪除航片上一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的控制點。若再次加密后仍有個別控制點平差精度超限，則重復(fù)空三測量Block-AT文件復(fù)制、修改、加密操作，直至最終每個參與計算的控制點的空三測量結(jié)果都符合限差要求。

2.5 外業(yè)檢查精度分析

為驗證本次試驗空三測量精度，將外業(yè)采集房角點坐標與三維模型采集的房角點坐標進行比較分析，結(jié)果見表1。

表1 模型房角點取點坐標與實地打點坐標對比

根據(jù)表1可以計算得出，模型房角點的點位偏差相對于實地測量的中誤差為0.027 m，滿足1∶500地籍測量的平面精度要求，本文所述空三精度優(yōu)化方案可行。

3 結(jié)語

空三測量是傾斜攝影建模過程中的一道重要工序，是決定最終成果精度的關(guān)鍵因素。注意每一環(huán)節(jié)，找到問題的關(guān)鍵點，避免操作過程中的誤差積累，并針對問題采取有效的解決措施，才能保證空三測量的精度和質(zhì)量。本文以莆田市城廂區(qū)華亭鎮(zhèn)郊溪村的傾斜影像數(shù)據(jù)為例，利用Smart3D軟件進行空三測量加密，提出優(yōu)化方案來提高空三測量的精度，并針對一些常見問題，提出行之有效的解決措施，最終外業(yè)打點驗證精度。從試驗結(jié)果可以看出，此套方法能有效提高空三測量精度，滿足1∶500地籍測量平面精度要求。