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倾斜摄影测量三维建模及精度分析刘锦程

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：刘锦程

[导读] 摘要：倾斜摄影测量的三维建模应用打破了正射影像只能从单一角度拍摄得到数据的局限性。

        正元地理信息集团股份有限公司山东分公司山东省济南市 250101
        摘要：倾斜摄影测量的三维建模应用打破了正射影像只能从单一角度拍摄得到数据的局限性。通过搭载多台传感器从一个垂直、多个倾斜等不同角度采集影像，获得具有较高分辨率、较大视场角、更详细的地物信息数据。本文结合实例分析倾斜摄影测量的三维建模及精度控制。
        关键词：倾斜摄影测量；三维建模；精度
        1倾斜摄影测量技术原理
        倾斜摄影测量技术通过同一飞行平台上搭建的多台传感器进行图片、数据信息的采集获取，从多个角度拍摄并记录航拍的高度、航速、航行方向和旁向的重叠，坐标等参数。并对所拍摄的倾斜摄影重叠的照片进行分析和处理。相关技术人员在对拍摄的画面进行整理时就可以比较轻松地进行建筑物结构的分析，从中选择一张最为清晰的进行纹理制作，便于后期为客户提供真实直观的实景信息，不仅可以真实地反应地势地貌，还能使用户通过技术定位，搜索相关信息，享受更高的用户体验。
        2无人机倾斜摄影测量三维建模关键技术
        2.1像片控制点相关布设方案
        像控点布设采取非全野外布点方式，仅仅布设少许的控制点。（1）航带网法布点。航带网法进行布设像控点的过程中，主要的方案是六点法。六点法作为最标准的布点方法，是航带网布点方案中经常被采取的方式。在区域网的规定局限里图像不大于十六张时，采取六点法进行布设平高点的工作。其次还有八点法、五点法。其中，八点法是在每个航带里面布设出八个平高控制点。它要求区域网范围里面的图像要大于十六并且不超过四十八幅。而当一条航带的长度为最长航带网的百分之六十左右时，采取五点法。（2）区域网法布点。在区域网进行平差的过程中，当出现某像对基线跨入附近控制点连线大于半数时，就将其视为一个像对。
        2.2外业控制点的施测
        在将要开始外业控制点的量测工作时，要提前做好一系列的整理工作，通过空三加密平差的结果，进一步获取测区的全景影像图，这对后期的外业像片控制点的布设与测量工作有着重要的意义。
        2.3多视影像联合平差
        通过多层次、多条件约束的方法获得多视影像的同名点，保证同名点的误匹配率在一定的范围，利用区域网平差技术完成影像姿态数据与加密点数据的计算。多视影像联合平差作为倾斜影像整理阶段的重要环节，因为多视影像分别为垂直影像倾斜影像，多视影像联合平差兼备了对影像中出现的变形和遮挡的情况的处理，但大多数传统的空三加密方式并没有这种特征。一般的多视影像联合平差方式是先通过SIFT特征提取算法，完成影像的特征提取工作。
        2.4多视影像密集匹配
        在完成上述工作后，基本上已经完成密集匹配的相关数据的采集，接下来就是影像的匹配工作。影像匹配工作作为摄影测量的一个关键，因为无法通过单一元素就可以成功的进行匹配，因此，现在已经有很多的国内外学者在进一步探究计算机视觉上的多基元以及多视影像密集的匹配方式。
        2.5产品成果生成
        利用多视影像密集匹配，可以得到更为完善的DSM,需要得到的信息都可以展现出来，这种技术目前是新型空间数据基础设施的主要技术。将得到的DSM数据采用波形处理，整合出有着真实观感的数字表面模型的数据，通过归一处理，以及一些增强处理，进而产生三位数字模型的雏形，再采取模型编辑软件进行处理，就基本产生了逼真的三维模型，最后进行验收检验，同时输出相应的数据与文件，生成产品成果。
        3倾斜摄影测量三维建模精度分析
        3.1项目介绍
        某测区存在典型的高低落差大，房屋密度高，楼面复杂场景，这都会导致倾斜摄影难度增加、危险系数变高、模型效果变差导致点位测量精度降低。为了保证作业安全，航高预留60米的安全高度，无人机按160米高度作业。同时为了保证楼顶的重叠度，设置的航向重叠度为85%，旁向重叠度为80%。
        3.2数据处理
        倾斜无人机系统获取影像完成后，首先为确保影像质量需要对原始数据进行影像质量、文件格式、影像变形、影像航向重叠度、旁向重叠度及影像对应POS数据关系等检查，对存在影像漏洞的现象进行补飞。此外，为保证后期模型色调美观要求，可以选择对原始数据进行匀光匀色处理；其次，将相机检校数据、影像数据以及对应的解析POS数据导入Photoscan软件平台，进行影像自动空三处理、密集点云生成、自动映射纹理模型、最终生成具有影像纹理的三维模型。最后将生成的三维模型输出OSGB格式，加载到EPS软件下进行三维模型的量测。
        3.3空三精度验证
        按照“先整体后局部，先控制后碎步”的原则，本文采用基于城市CORS系统，通过部分野外控制点的布设方案，在整个测区通过间隔150-200M尽量在地面空旷无遮挡的道路交叉点、斑马线或者井盖布设控制点。同时为了确保高程精度满足需求，在有条件的建筑物房顶均匀少量控制点，确保控制点分布在不同的高程面上，以使布设稳定、有效地控制网。利用倾斜无人机系统获取影像数据与影像对应的姿态数据结合少量外业控制点，通过整体光束法区域网平差技术获取高精度的影像定位定向数据与加密点的三维坐标信息，减少野外工作测量、提高作业效率。通过成熟的GPS-RTK技术采集53个控制点坐标，其中38个点用以控制点进行空中三角测量数据解算，剩余点用以检测空三的精度。控制点的平面中误差为±4.52cm，高程中误差为±16.5cm，最大平面残差21.2cm最大高程残差31.1cm，检查点的平面中误差为±10.1cm高程中误差为±23.6cm、最大平面残差42.2cm最大高程残差84.3cm，满足1：1000平面测图精度要求。详细的空三精度统计见表1。

        3.4精度校验
        为了检验倾斜摄影建立三维模型的成果精度，在建好的三维模型上随机抽样采集些特征明显的直线（建筑物的高、路灯的高、马路的宽）的距离，确保采集数据具有代表性。将在模型上量测得结果与本文采用高精度的全站仪（TS50）外业测量的数据进行对比分析，统计两种方法采集的坐标数据，计算得到误差。根据影像构建三维模型与外业采集的数据进行误差分布统计分析与评定，可以得出特征边中误差为13cm；另外，特征点坐标中误差均达到分米级。三维模型成果的平面、高程精度满足1：1000三维模型成果几何精度要求。
        4结语
        倾斜摄影测量作为一项新技术，将多台类同类别的传感器同时在单个载体上装置，能够进行完善、弥补传统航空摄影技术仅在单个角度得到地面影像的不足之处，可以获得垂直以及多个倾斜角度的影像数据工作，很大程度上避免了正射影像无法真实提供地表情况的不足。同时利用机载POS数据和数字表面模型等，完成倾斜摄影基础之上的三维建模。
        参考文献
        [1]基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模和精度分析[J].方忠平.工程建设与设计.2019(10)
        [2]无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用探讨[J].倪炜.中国地名.2019(10)