文｜三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊阿蘭

隨著數(shù)字化城市的創(chuàng)建，人們?cè)谔剿鞯厍蚍矫嬉仓饾u朝著三維表達(dá)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，社會(huì)提高了地理信息可視化要求和精度的要求，將基于高程與地物信息合成三維模型已經(jīng)無法使高層次需求得到滿足。本文提出傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是利用多角度傾斜拍攝，以此得到地物的側(cè)面信息，創(chuàng)建高精度、高仿真的三維城市模型，使三維建?？刹僮餍缘玫教岣?，使用也逐漸廣泛。有研究學(xué)者在研究過程中將傳統(tǒng)傳感器作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)傾斜測(cè)量，提出測(cè)量結(jié)合方法被廣泛應(yīng)用到城市規(guī)劃管理、旅游管理和應(yīng)急指揮等行業(yè)中，能夠降低三維模型數(shù)據(jù)收集時(shí)間代價(jià)與經(jīng)濟(jì)代價(jià)，但是實(shí)景三維模型對(duì)于專業(yè)、硬件的要求比較高。各領(lǐng)域?qū)θS模型具有不同的要求，所以本文對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量的三維不動(dòng)產(chǎn)登記平臺(tái)進(jìn)行分析，為用戶提供查詢定位、標(biāo)記、測(cè)量等功能。

1.傾斜攝影測(cè)量分析

利用飛行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳感器的創(chuàng)建，通過垂直地面進(jìn)行拍攝，對(duì)拍攝影像進(jìn)行收集，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)航空攝影。傾斜攝影測(cè)量是將飛行平臺(tái)作為基礎(chǔ)創(chuàng)建多傳感器，以此實(shí)現(xiàn)不同角度觀測(cè)，收集航空影像。和傳統(tǒng)航空攝影對(duì)比，傾斜攝影測(cè)量能夠使二維數(shù)據(jù)采集需求得到滿足，得到地物紋理、利用影像實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的制作，對(duì)三維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)建。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)通過創(chuàng)建GPS 系統(tǒng)和TMU 系統(tǒng)得出高精度的位置、狀態(tài)等信息，利用此信息實(shí)現(xiàn)加密，實(shí)現(xiàn)高精度三維數(shù)據(jù)的制作。

2.獲取傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)

2.1 技術(shù)流程

通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和SF 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的創(chuàng)建，創(chuàng)建流程為：

（1）預(yù)處理數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理，將錯(cuò)誤、缺陷的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行去除，對(duì)系統(tǒng)資料完整性與精準(zhǔn)性進(jìn)行保證，并且保證格式正確。

（2）三角測(cè)量。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)空氣三角進(jìn)行測(cè)量，以此能夠得出影像方位元素。對(duì)外方位元素進(jìn)行矯正之后，利用多視影像密集匹配得出三維點(diǎn)云，創(chuàng)建城市三維實(shí)景模型。

（3）對(duì)紋理信息進(jìn)行選擇。利用三維實(shí)景模型使三角形面片利用二維圖像夾角與法線方程選擇最佳的紋理信息，然后關(guān)聯(lián)紋理。

（4）對(duì)城市3D TIN 進(jìn)行輸出。

2.2 稀疏匹配

稀疏匹配指的是利用相應(yīng)算法在對(duì)相同地形地物描述不同影像過程中，使同名特征點(diǎn)進(jìn)行提取，對(duì)影像和影像的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行恢復(fù)。稀疏匹配過程為特征點(diǎn)提取、描述和匹配：首先，提取特征點(diǎn)。為了尋找影像之間相關(guān)性，要求尋找影像同名點(diǎn)，在多個(gè)同名點(diǎn)中提取具備典型特征并且不容易誤匹配的同名特征點(diǎn)。以判斷依據(jù)使特征點(diǎn)劃分成為特征斑點(diǎn)與特征角點(diǎn)，其中特征角點(diǎn)指的是地物角點(diǎn)，通過Harris 算法實(shí)現(xiàn)角點(diǎn)檢測(cè)。特征斑點(diǎn)大部分都是影像中和周圍區(qū)域具有較大相差灰度的點(diǎn)，也就是使特征點(diǎn)對(duì)特征信息進(jìn)行描述。信息主要包括自身和鄰域點(diǎn)特征信息，比如方向信息、位置信息與尺度信息等。此信息描述具備唯一性，并且對(duì)于旋轉(zhuǎn)、光照等外部干擾的抗干擾能力比較強(qiáng)。最后匹配同名特征點(diǎn)，也就是實(shí)現(xiàn)不同影像特征點(diǎn)點(diǎn)集創(chuàng)建相應(yīng)關(guān)系。根據(jù)特征點(diǎn)描述，描述信息的相似度量越大，那么其距離度量就會(huì)越小，兩點(diǎn)作為同名特征點(diǎn)幾率就會(huì)越大。

2.3 三角測(cè)量

在實(shí)現(xiàn)稀疏匹配之后，以影像之間同名特征點(diǎn)匹配結(jié)果實(shí)現(xiàn)相對(duì)定向。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠得出大角傾視與垂直攝影的數(shù)據(jù)，利用傾斜假設(shè)POS 系統(tǒng)的觀測(cè)值為多角度傾斜攝影外方位元素。以傳感器成像模型計(jì)算元對(duì)像元物坐標(biāo)，通過多特征、多基線的匹配技術(shù)和連接點(diǎn)進(jìn)行連接，降低外業(yè)控制數(shù)量，利用區(qū)域網(wǎng)平差全面測(cè)量空中三角。傾斜相機(jī)平臺(tái)為SF系統(tǒng)，設(shè)置傳感器模型，從而提高模擬效率，優(yōu)化航攝參數(shù)，從而提高連接點(diǎn)匹配精度和效率。

2.4 密集匹配

利用特征點(diǎn)匹配提取影像特征點(diǎn)，得到通過特征點(diǎn)構(gòu)成的稀疏點(diǎn)云，但是稀疏點(diǎn)云點(diǎn)數(shù)無法使生成模型需求得到滿足，還要針對(duì)影像對(duì)同名影像點(diǎn)進(jìn)行提取，要求實(shí)現(xiàn)密集匹配。因?yàn)閮A斜影像拍攝角度因素，和傳統(tǒng)正攝鏡頭拍攝影像對(duì)比，投影具有較大的變形、地物之間具有遮擋等問題，使用傳統(tǒng)攝影測(cè)量密集匹配算法無法對(duì)理想密集點(diǎn)云進(jìn)行匹配?；谔卣鼽c(diǎn)創(chuàng)建三角網(wǎng)，所有三角網(wǎng)都是區(qū)域點(diǎn)。兩幅影像中的相同名稱三角形都是獨(dú)立仿射變換，利用計(jì)算同名三角形中的同名特征頂點(diǎn)能夠得出旋轉(zhuǎn)矩陣，以矩陣匹配三角形點(diǎn)實(shí)現(xiàn)逐像素點(diǎn)的匹配。實(shí)現(xiàn)閾值的提前設(shè)置，如果點(diǎn)相似程度滿足閾值要求，那么就是同名像點(diǎn)。利用此方法得出更多同名像點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)密集匹配效果。

3.三維不動(dòng)產(chǎn)登記平臺(tái)

3.1 三維不動(dòng)產(chǎn)登記單元

3.1.1 單元的創(chuàng)建

地籍管理在實(shí)施不動(dòng)產(chǎn)登記前的核心為地表權(quán)利，在權(quán)利登記方面無法將同個(gè)宗地中分布不同權(quán)利主體的地表、空中與地下權(quán)利直觀地表達(dá)出來。二維信息記錄模式并不會(huì)對(duì)三維不動(dòng)產(chǎn)登記進(jìn)行限制，能夠有效展現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)立體空間的使用情況。

通過省級(jí)CORS 站定位信息能夠得到傾斜攝影和激光掃描數(shù)據(jù)精度，80%地表高程差在0.05m 以下，使單一激光點(diǎn)精度的需求得到滿足：

其一，利用此工藝流程生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)在幾何精度中使用，能夠使1∶500 比例尺需求得到滿足。

其二，由于常規(guī)模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)不同，會(huì)對(duì)模型表現(xiàn)效果造成影響?；趦A斜測(cè)量三維模型利用多視影像得到地面建筑物的側(cè)面、頂面紋理信息，利用影響信息創(chuàng)建模型，滿足模型場(chǎng)景實(shí)際需求。對(duì)比傳統(tǒng)技術(shù)工藝的模型數(shù)據(jù)，此項(xiàng)目所生產(chǎn)模型數(shù)據(jù)的整體性比較強(qiáng)，而且表現(xiàn)和真實(shí)場(chǎng)景接近，使人現(xiàn)場(chǎng)感得到提高。

其三，地形精度低，增加像控密度，從而使地形精度得到提高。

3.1.2 航線規(guī)劃

通過pix4d capture 實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行收集，利用自動(dòng)規(guī)劃航線控制無人機(jī)收集數(shù)據(jù)。打開控制面板檢測(cè)設(shè)備和飛機(jī)，使無人機(jī)在測(cè)繪中正常工作，避免墜機(jī)和故障。無人機(jī)和手機(jī)連接之后，利用無人機(jī)對(duì)無人機(jī)的海拔、電量、GPS 坐標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

在主界面中對(duì)Double Grid Misssion 點(diǎn)擊，將無人機(jī)數(shù)據(jù)收集能力充分發(fā)揮出來。另外，通過地圖勾勒測(cè)繪范圍，選擇飛行高度。系統(tǒng)根據(jù)范圍需要的飛行時(shí)間分析是否能夠完成測(cè)繪工作。

其次，在初次建模之后，第一次通過大范圍處理數(shù)據(jù)并不能夠滿足需求。所以對(duì)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)多層采集數(shù)據(jù)方法進(jìn)行開發(fā)。

3.1.3 獲取影像

準(zhǔn)備工作完成后使無人機(jī)起飛到一定高度后，在軟件中對(duì)Start 進(jìn)行點(diǎn)擊，系統(tǒng)最后對(duì)設(shè)置的正確性、無人機(jī)系統(tǒng)是否正常工作進(jìn)行檢查。然后無人機(jī)起飛，以3s一個(gè)單元在飛行中收集GPS 數(shù)據(jù)與影像，要求無人機(jī)在視野范圍中進(jìn)行飛行，并且出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素之后要迅速的拿回飛機(jī)控制權(quán)就行，以數(shù)據(jù)采集量能夠在十分鐘左右實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。最后，使測(cè)繪采集數(shù)據(jù)在電腦中導(dǎo)入。

3.1.4 創(chuàng)建三角網(wǎng)

為了提高三維模型真實(shí)感，使其能夠滿足人眼視覺習(xí)慣，要求實(shí)現(xiàn)多視影像密集匹配之后得出密集點(diǎn)云，從而實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格化。首先，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格初始化，從而得出種子三角形；之后，將最優(yōu)點(diǎn)作為基礎(chǔ)，在網(wǎng)格生長(zhǎng)方向約束條件中實(shí)現(xiàn)Delaunay三角網(wǎng)格化算法，之后實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格生長(zhǎng)，得出真三維網(wǎng)格；最后，修補(bǔ)真三維網(wǎng)格空洞，得出最終網(wǎng)格模型。

3.1.5 紋理映射

為了提高實(shí)景三維模型地物紋理信息的真實(shí)性和真實(shí)感，要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化三維模型的紋理映射。紋理映射要求先以影像坐標(biāo)系和紋理坐標(biāo)系的關(guān)系得出點(diǎn)紋理坐標(biāo)，之后利用共線方程使二維影像紋理空間點(diǎn)和三維模型中三維空間點(diǎn)創(chuàng)建一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，使紋理信息在三維模型表面中映射，提高實(shí)景三維模型的真實(shí)視覺效果與紋理信息。

3.2 模型加載

根據(jù)傾斜側(cè)影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，使信息量得到提高。為了在web 環(huán)境中對(duì)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行批量加載，Cesium 新增了支持二進(jìn)制格式的3D-Tile 數(shù)據(jù)的功能，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變。

3.3 紋理關(guān)聯(lián)

要想實(shí)現(xiàn)3D 實(shí)景模型紋理關(guān)聯(lián)，就要求實(shí)現(xiàn)3D 實(shí)景模型與紋理圖像紋理貼附和配準(zhǔn)。由于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)得到影像屬于多視角影像，相同地面物會(huì)出現(xiàn)在多張影像中，所以要選擇最佳目標(biāo)影像具備重要意義。

3.4 測(cè)量精度分析

傳統(tǒng)攝影測(cè)量影像都是豎直單鏡頭，因?yàn)樨Q直地表攝影角度，導(dǎo)致攝影測(cè)量方式得出測(cè)繪產(chǎn)品高程精度具有一定的偏差。傾斜攝影測(cè)量對(duì)于地表多角度拍攝影像，地表地物具有豐富的側(cè)面紋理，地物點(diǎn)坐標(biāo)通過多張影像計(jì)算。因?yàn)槎嗥粫?huì)精度比雙片交會(huì)要高，傾斜影像在照片數(shù)量中比豎直影像要多，所以地標(biāo)地物點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算觀測(cè)量會(huì)增加。和傾斜影像特點(diǎn)相互結(jié)合，對(duì)測(cè)繪產(chǎn)品在平面精度和高程精度進(jìn)行對(duì)比，分析影像生產(chǎn)模型和精度。

將某測(cè)區(qū)作為研究對(duì)象，基于本文測(cè)量和傳統(tǒng)測(cè)量進(jìn)行制作，分析了傾斜與豎直對(duì)精度的影響。測(cè)區(qū)具有大量的照片，傳統(tǒng)測(cè)量在對(duì)傾斜影像處理過程中的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且無法使實(shí)際生產(chǎn)需求得到滿足，所以沒有形成TDOM，但是本文測(cè)量方法能夠成功處理數(shù)據(jù)，在對(duì)大數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)處理的過程中，本文測(cè)量方法在時(shí)間效率、成功率方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)（詳情如表1，表2所示）。

表1 射影像對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

表2 射影像對(duì)比試驗(yàn)軟件使用表

圖1生成的TDOM 圖，為了對(duì)圖片平面精度進(jìn)行對(duì)比，在測(cè)區(qū)中均勻設(shè)置36 個(gè)檢查點(diǎn)，在影像中實(shí)現(xiàn)檢查點(diǎn)坐標(biāo)收集，和外業(yè)實(shí)測(cè)坐標(biāo)信息進(jìn)行結(jié)合，得到檢查點(diǎn)平面誤差（詳情如圖1所示）。

圖1 生成的TDOM 圖

4.結(jié)束語(yǔ)

通過本文研究顯示，通過無人機(jī)開展傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的使用方法比較多，并且具有制作簡(jiǎn)單、上手快與可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠通過專業(yè)人員進(jìn)行操作，還適合學(xué)生業(yè)余愛好者探索。另外，傾斜測(cè)量技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，并且有大量?jī)?nèi)容需要探索和完善。在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也在不斷的發(fā)展。其次，研究人員通過矯正傾斜測(cè)量中的問題，使因?yàn)榈匦蔚仍驅(qū)е禄兊葐栴}得到解決，使傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用效率得到提高。