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

星鋒鋒

（濟(jì)寧市勘測(cè)院，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的用途越來(lái)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(wú)人機(jī)都發(fā)揮著重要的作用。基于無(wú)人機(jī)垂直攝影測(cè)量，較傳統(tǒng)人工測(cè)量來(lái)說(shuō)，可以快速高效地獲取高精度的測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，已成為測(cè)繪地理數(shù)據(jù)獲取的重要方式之一[1-2]。傾斜攝影測(cè)量是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，首先介紹了傾斜攝影測(cè)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(shí)際帶狀數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量（以下簡(jiǎn)稱“空三”）解算為例，對(duì)空中三角測(cè)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(shí)景三維模型，并對(duì)其精度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，基于傾斜攝影生產(chǎn)的實(shí)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(cè)量技術(shù)介紹

1.1 傾斜攝影測(cè)量原理

傾斜攝影測(cè)量是指在無(wú)人機(jī)或者有人機(jī)等航飛裝置上，安裝一臺(tái)或多臺(tái)可量測(cè)或非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)，從空中對(duì)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(xiàng)技術(shù)[3-5]。然后依據(jù)攝影測(cè)量中的共線方程和野外控制點(diǎn)，將攝影測(cè)量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地測(cè)量坐標(biāo)系中，完成對(duì)地面物體坐標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)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(gè)下視鏡頭和4個(gè)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(lái)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?yàn)樵谕桓叨龋瑐?cè)視相機(jī)中心點(diǎn)到影像中心點(diǎn)的距離比下視相機(jī)的大，因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)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(shí)，航高和焦距成正比。這里的航高，對(duì)于下視鏡頭來(lái)說(shuō)，是飛機(jī)距離地面的垂直距離，對(duì)側(cè)視相機(jī)來(lái)說(shuō)，是其距離側(cè)視影像中心點(diǎn)的距離，是一個(gè)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(cè)量軟件是專門針對(duì)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(cè)量軟件來(lái)說(shuō)，傾斜攝影測(cè)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(guó)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(guó)內(nèi)主流建模軟件有上海瞰景的Smart3D、中測(cè)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(cè)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(cè)量、實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)輸出和模型精度檢測(cè)[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(shí)景三維模型制作

2.1 項(xiàng)目區(qū)介紹

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于河湖確權(quán)項(xiàng)目，任務(wù)區(qū)長(zhǎng)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(cè)區(qū)范圍內(nèi)除測(cè)區(qū)邊緣按照1 km布設(shè)像控點(diǎn)位，每4個(gè)點(diǎn)中間再布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)，使其盡可能形成等邊三角形，增加整個(gè)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(guò)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(wú)效影像，利用Photoshop軟件創(chuàng)建動(dòng)作，并對(duì)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(duì)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(cè)量?jī)?yōu)化研究

空中三角測(cè)量解算是傾斜攝影建模整個(gè)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(duì)實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)的過(guò)程中，提出了幾種空三優(yōu)化的方案，并對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明。空三優(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(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，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(jì)算空三，模型輸出由Context Capture軟件完成。在項(xiàng)目生產(chǎn)中，該方法有一定的局限性，測(cè)區(qū)面積大，會(huì)導(dǎo)致其成果需要較大內(nèi)存，在導(dǎo)入Context Capture軟件時(shí)，會(huì)因內(nèi)存大，導(dǎo)致輸入時(shí)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(cè)量使用的相機(jī)，通常都是經(jīng)過(guò)改造的，并沒(méi)有對(duì)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(guò)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(duì)相機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。利用少量照片進(jìn)行空三加密解算，得到5個(gè)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(shí)，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(guò)項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)實(shí)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(diǎn)來(lái)進(jìn)行不同塊的接邊。在分割塊的時(shí)候，要確保接邊區(qū)域至少有3個(gè)像控點(diǎn)能夠公用，這樣可以提高空三解算的成功率。但分割成多個(gè)小塊，精度不一、效率較低，接邊區(qū)域模型還是會(huì)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(cè)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(dòng)分塊，然后對(duì)每塊進(jìn)行空三加密解算，再進(jìn)行自動(dòng)融合，得到完整的空三。該軟件空三解算通過(guò)率高，但是精度較差，一般不能滿足項(xiàng)目需求，但是通過(guò)解算，可以得到比較準(zhǔn)確的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)，可作為成果引入Context Capture軟件中，進(jìn)行像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺，然后帶著像控點(diǎn)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(gè)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(gè)相機(jī)是共用一組POS數(shù)據(jù)的，但是實(shí)際情況是5個(gè)鏡頭對(duì)應(yīng)的是5路POS數(shù)據(jù)，雖然5路POS差值不大，但是也會(huì)對(duì)空三解算帶來(lái)影響，降低空三解算的成功率。為了解決這一問(wèn)題，可以結(jié)合5鏡頭平臺(tái)檢校參數(shù)，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，利用平臺(tái)檢校參數(shù)對(duì)其余4個(gè)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(jì)算得到4個(gè)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(guò)以上方式對(duì)空三進(jìn)行優(yōu)化，空三解算一次性通過(guò)。通過(guò)人機(jī)交互方式對(duì)空三成果進(jìn)行查看，無(wú)明顯的彎曲、分層現(xiàn)象，通過(guò)查看加密報(bào)告，自由網(wǎng)重投影中誤差為0.51個(gè)像素，加密點(diǎn)分布均勻，空三成果質(zhì)量良好。

控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺對(duì)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(lái)的精度損失，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，對(duì)控制點(diǎn)的點(diǎn)位距影像邊緣的距離是有要求的。通過(guò)目測(cè)估算，對(duì)于點(diǎn)位在影像邊緣2 cm內(nèi)的點(diǎn)位不進(jìn)行控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，對(duì)于遮擋、模糊不清的點(diǎn)位不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。其余的點(diǎn)位，能轉(zhuǎn)刺的盡量全部轉(zhuǎn)刺，這樣能夠全包控制點(diǎn)對(duì)多數(shù)影像直接進(jìn)行約束。在轉(zhuǎn)刺完控制點(diǎn)后，為了提高運(yùn)算速率，連接點(diǎn)選擇“保持”，其余參數(shù)默認(rèn)。待平差完成后，查看平差報(bào)告，控制點(diǎn)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(shí)景三維模型制作

帶狀區(qū)域，多個(gè)工程輸出的模型需要接邊，在生產(chǎn)的時(shí)候，將決定瓦片命名的原點(diǎn)和模型輸出的原點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)置為一個(gè)值，該值位于測(cè)區(qū)中心點(diǎn)，這樣一來(lái)，可以確保最后的模型成果在展示時(shí)精度損失最小。結(jié)合電腦配置和項(xiàng)目需求，設(shè)置瓦片大小為100 m，平面簡(jiǎn)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(duì)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(jì)與分析

利用GPS-RTK在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)均勻采集15個(gè)檢查點(diǎn)，利用EPS軟件，對(duì)模型成果精度進(jìn)行檢測(cè)。首先將OSGB格式模型導(dǎo)入到EPS軟件中，再將檢測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入，然后通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)定位，在模型上采集其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位，自動(dòng)計(jì)算較差，得到模型成果的精度統(tǒng)計(jì)值，具體檢測(cè)較差如表1所示。

表1 檢測(cè)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表（單位：cm）

表1（續(xù)）

通過(guò)表1可以看出，15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)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(yǔ)

本文對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了介紹，以實(shí)際生產(chǎn)中帶狀數(shù)據(jù)項(xiàng)目為例，重點(diǎn)對(duì)空中三角測(cè)量的優(yōu)化方式進(jìn)行了說(shuō)明，并在項(xiàng)目應(yīng)用中取得了較好的成效。通過(guò)對(duì)實(shí)景三維模型精度進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)繪提供新的作業(yè)方式。