傾斜攝影技術(shù)大比例尺測(cè)圖的探析

賈曉笛 （安徽省第一測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

0 前言

傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地降低三維建模的成本，同時(shí)將數(shù)據(jù)處理與模型整合進(jìn)行了融合，采用多樣化的模型數(shù)據(jù)形式，在專(zhuān)業(yè)信息處理平臺(tái)展開(kāi)矢量化操作，拓展數(shù)據(jù)形式與應(yīng)用范圍，以滿足不同層次的數(shù)據(jù)需求。實(shí)際上，傳統(tǒng)測(cè)繪工作已經(jīng)無(wú)法滿足信息化時(shí)代下的工作要求，我們也需要發(fā)展航空攝影測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)圖，提供可靠的數(shù)據(jù)信息結(jié)果。

1 傾斜攝影技術(shù)流程

從具體流程來(lái)看，按照傾斜攝影技術(shù)所獲取的影像數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)化建模軟件進(jìn)行分析后，會(huì)對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，以便于將實(shí)景模型和傾斜攝影影像結(jié)合到統(tǒng)一的作業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中，獲取一體化的測(cè)圖環(huán)境，形成相對(duì)嚴(yán)格的精密設(shè)計(jì)，大幅降低了實(shí)地調(diào)繪的工作效率，也保障了地形圖的繪制質(zhì)量。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成主要包括幾個(gè)重要部分，以任務(wù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，包括攝影機(jī)、攝影控制系統(tǒng)與相關(guān)部件所構(gòu)成，攝影系統(tǒng)包括專(zhuān)業(yè)的傾斜攝影測(cè)量設(shè)備與非專(zhuān)業(yè)設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)則多采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和存儲(chǔ)，重點(diǎn)在于改善航攝信息的獲取質(zhì)量，明確飛行狀態(tài)，并對(duì)其展開(kāi)合理控制。另一方面，通過(guò)軟件進(jìn)行控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的規(guī)劃，因?yàn)槿说囊暰啾容^有限，可以在現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)人機(jī)測(cè)量的航線控制[1]。

1.2 測(cè)量實(shí)例技術(shù)方案

本次研究測(cè)量以某地區(qū)某村作為研究區(qū)域，總體的技術(shù)方案如圖所示。

技術(shù)流程

2 傾斜攝影三維建模技術(shù)過(guò)程

2.1 影像匹配環(huán)節(jié)

影像匹配的作用在于建立不同像片之間的連接關(guān)系，同時(shí)將所有的拍攝像片建立特征關(guān)系后再展開(kāi)整合，從而獲取信息并參與到后續(xù)的空中三角測(cè)量環(huán)節(jié)當(dāng)中。換言之，影像匹配的精度直接影響到測(cè)量結(jié)果的精度。在當(dāng)前的技術(shù)條件下多采用SIFT特征匹配算法來(lái)保障運(yùn)算效率與抗噪聲能力，從而將圖像之間的匹配狀態(tài)轉(zhuǎn)化為特征點(diǎn)向量之前的相似性度量。在其中的不同階段中，第一階段為圖像檢測(cè)，第二階段為特征描述符生成，最后階段為向量匹配[2]。

2.2 空中三角測(cè)量

這一階段是利用較少的控制點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)獲取未知點(diǎn)坐標(biāo)與元素，通過(guò)前方和后方的交會(huì)來(lái)實(shí)現(xiàn)模型定向和測(cè)繪產(chǎn)品的生成。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，一般采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，利用的是不同的觀測(cè)手段來(lái)作為外方位元素的初始值，并將控制點(diǎn)坐標(biāo)展開(kāi)數(shù)據(jù)聯(lián)合，按照數(shù)據(jù)在平差過(guò)程中的所占權(quán)重比差異來(lái)分析精度可能受到的影響。從其具體流程來(lái)看，從第一條航帶開(kāi)始進(jìn)行航帶網(wǎng)創(chuàng)設(shè)，并按照已知的地面控制點(diǎn)來(lái)進(jìn)行粗略計(jì)算，得到加密點(diǎn)近似坐標(biāo)。之后逐點(diǎn)建立誤差方程，以像片中心投影方式建立條件方程式。

2.3 密集匹配

密集匹配的作用在于生成密集點(diǎn)云，這也是傾斜攝影技術(shù)中的核心內(nèi)容之一。一般來(lái)說(shuō)航帶經(jīng)過(guò)重建后會(huì)根據(jù)外方位元素來(lái)構(gòu)建立體相對(duì)。考慮到影像的多視化特征，會(huì)有與傳統(tǒng)影像匹配之間的顯著差異，表現(xiàn)為點(diǎn)云信息大量存在，且多余的信息可以被用來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)匹配信息的缺陷，尤其是盲區(qū)的特征信息能夠得到控制，避免一些攝影盲角的特征構(gòu)建工作出現(xiàn)問(wèn)題。另外根據(jù)密集點(diǎn)云還可以構(gòu)建三角網(wǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的構(gòu)件，三角網(wǎng)的密集程度和航片重疊度之間有著密切聯(lián)系，理論上說(shuō)，如果兩者重疊度越高，則說(shuō)明地物結(jié)構(gòu)的表述會(huì)越清晰。

2.4 紋理映射

紋理映射工作在三維模型構(gòu)建完畢之后所進(jìn)行，建立二維空間點(diǎn)與三維物體表面之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到更加符合色彩和視覺(jué)要求的三維模型。映射模式分為正向映射、逆向映射與兩步紋理映射。正向映射的特征在于節(jié)省空間，不過(guò)圖像的質(zhì)量可能會(huì)受到影響。與之相反的逆向映射可以有效地彌補(bǔ)正向映射的差異性，不過(guò)在空間占用方面更加顯著。兩步紋理映射方案則涉及到圖片、紋理映射的坐標(biāo)問(wèn)題，詳細(xì)地說(shuō)明了其中的連接關(guān)系。在這一階段的工作中主要涉及到兩個(gè)層面的問(wèn)題。一是像片的選擇問(wèn)題，在這一方面有既往的研究?jī)?nèi)容提出了相關(guān)的解決方案，將每一個(gè)需要紋理映射的面片按照公式要求進(jìn)行評(píng)分。而第二個(gè)問(wèn)題在于紋理色的過(guò)渡問(wèn)題[3]。

2.4 實(shí)際測(cè)量

測(cè)量的具體環(huán)節(jié)非常復(fù)雜，是一項(xiàng)系統(tǒng)化的工程。在進(jìn)行傾斜攝影前需要做好大量的準(zhǔn)備工作，包括了解區(qū)域概況、確定區(qū)域范圍、選擇合理的攝影設(shè)備等。在前期調(diào)研工作完畢之后按照低空數(shù)字航空攝影的規(guī)范，可以先將無(wú)人機(jī)的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，并且按照以下公式的要求進(jìn)行。

其中H為傾斜攝影的行高、f為物鏡鏡頭焦距、GSD為地面分辨率，a為像元尺寸。一般情況下我們確定航高之后還可以參考航空攝影規(guī)范要求來(lái)確定重疊度，最后設(shè)置好相應(yīng)的航線參數(shù)，包括飛行航向、航線長(zhǎng)度等。

3 實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓工作人員在同一區(qū)域利用兩種不同的方式展開(kāi)測(cè)圖與地形圖繪制，然后確定兩種方法之間的結(jié)果對(duì)比與誤差情況。

3.1 二位數(shù)據(jù)采集

在EPS三維測(cè)圖軟件中加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型之后按照地形圖繪制地物，得到試驗(yàn)區(qū)域的數(shù)字線劃圖，均勻地在實(shí)驗(yàn)區(qū)域采集不同特征的地物類(lèi)型，包括點(diǎn)狀、現(xiàn)狀、面狀等，具體為電線桿、道路拐點(diǎn)、圍墻等，包含多個(gè)特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)。工作人員按照二維模型的檢查點(diǎn)分布繪制了相應(yīng)的誤差雷達(dá)圖，結(jié)果表明越靠近中間的點(diǎn)位中誤差越小，則精度越高，按照前文提到過(guò)的共識(shí)計(jì)算和地形圖的長(zhǎng)途規(guī)范，可以繪制不同地形的高程檢查點(diǎn)。

3.2 三維數(shù)據(jù)采集

在EPS三維測(cè)圖軟件中加載相應(yīng)的三維模型數(shù)據(jù)，同樣利用工作人員來(lái)獲取不同特征的相同地物點(diǎn)位坐標(biāo)。從結(jié)果來(lái)看，二維和三維實(shí)景模型的數(shù)字化都能基本符合1∶500大比例地形圖的精度規(guī)范要求，同時(shí)能夠?qū)y(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，最終完成測(cè)圖和數(shù)據(jù)分析[4]。

3.3 地形圖繪制方法

地形圖繪制工作中的要點(diǎn)在于對(duì)地物的識(shí)別。尤其是正射影像中無(wú)法對(duì)地物進(jìn)行明確區(qū)分時(shí)，例如樹(shù)木、建筑物遮擋，那么工作人員在繪制的過(guò)程中會(huì)通過(guò)一定的方法和技巧進(jìn)行模型旋轉(zhuǎn)。在獲取一點(diǎn)平面坐標(biāo)的同時(shí)，可以獲取三維模型中的同一點(diǎn)高程坐標(biāo)，這種精度顯然由于單純地地形圖繪制精度。對(duì)此，我們可以在正射影像上繪制大部分的地形圖，獲取地物平面坐標(biāo)之后再對(duì)其添加屬性展開(kāi)數(shù)據(jù)信息分析。例如建筑物可以備注房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型、樹(shù)木可以備注是哪種植物等。此時(shí)對(duì)于一些需要進(jìn)行輪廓改正的地物進(jìn)行調(diào)整，按照實(shí)際情況進(jìn)行切換。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)測(cè)圖的人工成本過(guò)高、效率過(guò)低，在實(shí)際的繪圖環(huán)節(jié)也存在技術(shù)缺陷。對(duì)此，我們不難看出傾斜攝影技術(shù)可以在三維實(shí)景環(huán)境下進(jìn)行全要素采集，滿足1∶500的地形圖測(cè)圖要求，大幅減輕了實(shí)地工作的強(qiáng)度，保障工作效率。在未來(lái)的技術(shù)研究過(guò)程中，我們可以借助EPS軟件平臺(tái)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)信息展開(kāi)研究分析，驗(yàn)證不同測(cè)圖結(jié)果在二維模型和三維模型層面的不同采集精度，獲得高精度模型的同時(shí)給測(cè)繪工作提供參考性建議。當(dāng)然，對(duì)于某些特殊地貌的適應(yīng)性也需要深入研究的支持，尤其是紋理的精細(xì)程度。