傾斜攝影拍照技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)展開起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，可通過(guò)在同一翱翔途徑搭載多臺(tái)傳感器，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜這5個(gè)視點(diǎn)同步曝光采集形象，獲取真實(shí)地物信息，并選用后處理軟件構(gòu)建實(shí)景三維模型。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)得到快速展開，它以高效、便利、本錢低一級(jí)利益，完成了城市區(qū)域三維現(xiàn)象的快速構(gòu)建及更新。為此，本文選用Smart3D對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模，并對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程以及存在問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。
1.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，無(wú)人機(jī)通常會(huì)加載高精度POS，后期數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高，但購(gòu)買費(fèi)用較高。在國(guó)內(nèi)，早期的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要用汽油機(jī)動(dòng)力固定翼無(wú)人機(jī)搭載非專業(yè)航測(cè)相機(jī)進(jìn)行，例如利用佳能5D等進(jìn)行航拍，主要用于DEM、DOM以及區(qū)域范圍DLG的生產(chǎn)。
隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，電動(dòng)固定翼、多旋翼以及動(dòng)力三角翼等新型低空飛行器逐漸應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展較早，例如天寶公司的AOS系統(tǒng)等，主要基于大飛機(jī)采用專業(yè)的航空傾斜相機(jī)進(jìn)行航拍，獲取地面多視角的影像信息。在國(guó)內(nèi)，劉先林院士團(tuán)隊(duì)率先研發(fā)出的SWDC-5是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)專業(yè)航空傾斜相機(jī)。當(dāng)前，將無(wú)人機(jī)技術(shù)與微型傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量己經(jīng)成為新興的研究熱點(diǎn)。例如，北京紅鵬天繪科技有限責(zé)任公司研發(fā)的微型無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可以對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行快速三維建模，并為測(cè)繪、規(guī)劃、應(yīng)急、公安、旅游文化等行業(yè)提供低廉、高效、敏捷的數(shù)據(jù)支持與服務(wù)，提高了精細(xì)三維數(shù)據(jù)靈活快速的獲取能力。
在無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)后處理方面，國(guó)外軟件的自動(dòng)化程度較高，例如法國(guó)像素工廠的PixelFactory等；國(guó)內(nèi)較為成熟的軟件有PixelGrid、DPGrid等系統(tǒng)以及武漢航天遠(yuǎn)景科技有限公司的DATMatrix，均支持無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行空三加密和后期4D產(chǎn)品生產(chǎn)。目前，基于無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行快速三維建模的軟件，國(guó)外主要有空客防務(wù)與空間她理信息公司的StreetFactory，法國(guó)Acute3D公司的Smart3D等，它們通過(guò)導(dǎo)入相關(guān)原始數(shù)據(jù)即可自動(dòng)生產(chǎn)三維模型；而國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)該類全自動(dòng)建模軟件，但有很多積極有效的實(shí)踐，例如武漢天際航信息科技有限公司開發(fā)的DP-Modeler可實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的高精度手工建模。
2.技術(shù)路線及實(shí)施方案
目前，主流傾斜攝影的后處理軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式是通過(guò)數(shù)據(jù)資料分析和預(yù)處理，排除資料先天缺陷，確保用于建模的數(shù)據(jù)和資料完整、格式正確?？傮w技術(shù)路線(圖1)為：①將傾斜影像進(jìn)行空中三角測(cè)量，獲得所有影像的高精度外方位元素；②基于畸變校正后的傾斜影像和高精度的外方位元素通過(guò)多視影像密集匹配，獲得高密度三維點(diǎn)云，構(gòu)建城市3DTIN模型；③根據(jù)3DTIN每個(gè)三角形面片的法線方程與二維圖像之間的夾角選擇相對(duì)應(yīng)的最佳紋理信息，實(shí)現(xiàn)紋理的自動(dòng)關(guān)聯(lián)；④輸出并獲得城市真三維模型成果。
2.1原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
原始數(shù)據(jù)主要包括多視影像、POS數(shù)據(jù)和外控成果。需要將原始影像進(jìn)行檢查整理，其航向重疊度不宜小于80%，旁向重疊度不小于50%，可根據(jù)不同相機(jī)視角進(jìn)行分類儲(chǔ)存，且不需出現(xiàn)中文目錄。為了控制和消除由于數(shù)字積累誤差造成的遠(yuǎn)距離幾何失真，需加入POS數(shù)據(jù)和外控點(diǎn)成果。
2.2傾斜影像聯(lián)合空中三角測(cè)量
傾斜影像中不僅有垂直攝影數(shù)據(jù)還包括大傾角側(cè)視攝影數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)的同名像點(diǎn)自動(dòng)量測(cè)算法已不適用于傾斜影像。以傾斜攝影瞬間POS系統(tǒng)的觀測(cè)值作為多角度傾斜影像的初始方位元素，根據(jù)成像模型，可計(jì)算每個(gè)像元的物方坐標(biāo)。利用基于物方的多基線多特征匹配技術(shù)可生成傾斜影像之間大量的連接點(diǎn)，結(jié)合少量的外業(yè)控制點(diǎn)通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差，可實(shí)現(xiàn)多視角聯(lián)合空中三角測(cè)量，最終生成空三報(bào)告(圖2)。該報(bào)告可以用于理解場(chǎng)景和圖像的空間結(jié)構(gòu)并且直接應(yīng)用于下一步匹配和建模。
2.3匹配生成密集點(diǎn)云
多視影像密集匹配能得到高密度數(shù)字點(diǎn)云，通過(guò)優(yōu)化構(gòu)網(wǎng)算法構(gòu)建數(shù)字表而模型(DSM)可用于后期模型構(gòu)建及正射影像生成。傾斜影像聯(lián)合空三后解算出各影像的外方位元素，分析并選擇最佳影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐像素級(jí)匹配，引入并行算法，可以提高計(jì)算效率。在獲取高密度DSM數(shù)據(jù)后，可進(jìn)行濾波處理，即將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的DSM(圖3)。由于部分影像存在遮擋或者缺少足夠的同名點(diǎn)信息，因此會(huì)造成匹配精度不高，生成的模型不夠精確，也會(huì)影響后期真正射影像的自動(dòng)生成，這些問(wèn)題需要人工編輯修改進(jìn)行解決。
2.4構(gòu)建TIN模型
經(jīng)過(guò)密集匹配獲得的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，需要進(jìn)行切割分塊?？筛鶕?jù)計(jì)算機(jī)性能以及設(shè)置的優(yōu)先級(jí)別對(duì)切塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建。具體為：①利用同一地物不同角度的影像信息，采用參考影像不固定的匹配策略逐像素匹配；②基于多視匹配的冗余信息，避免遮擋對(duì)匹配產(chǎn)生的影響，再引入并行算法提高計(jì)算效率以快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；③基于點(diǎn)云構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度(LevelsofDetail)下的三角網(wǎng)(TIN)模型。通過(guò)對(duì)三角網(wǎng)優(yōu)化，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨相匹配的比例，同時(shí)通過(guò)對(duì)連續(xù)曲而變化的分析對(duì)相對(duì)平坦地區(qū)的三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低數(shù)據(jù)冗余，獲得TIN模型矢量架構(gòu)(圖4)。
2.5自動(dòng)紋理關(guān)聯(lián)
自動(dòng)紋理映射主要基于瓦片技術(shù)，即將整個(gè)建模區(qū)域分割成若干個(gè)一定大小的子區(qū)域(瓦片)，基于集群處理系統(tǒng)的并行處理機(jī)制將每個(gè)瓦片打包建立成為一個(gè)任務(wù)自動(dòng)分配給各計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型與紋理影像的配準(zhǔn)和紋理貼附，同時(shí)為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)、多層次的LOD，便于優(yōu)化相應(yīng)的文件組織結(jié)構(gòu)，提高模型分層次瀏覽的效率，從而生成最終的三維場(chǎng)景(圖5)。
3.建模過(guò)程中存在的問(wèn)題及建議
采用Smart3D進(jìn)行三維建模，其自動(dòng)化程度較高，但生成的三維模型會(huì)存在一些錯(cuò)誤需要修正：如部分模型邊緣細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠準(zhǔn)確;個(gè)別地面、水面及建筑物側(cè)面紋理缺失;部分地形存在變形并與實(shí)地不一致(例如道路路而)等。產(chǎn)生這些錯(cuò)誤主要是由于多相位影像建筑物遮擋或植被、水面等影像明顯特征點(diǎn)較少造成同名影像匹配較少，從而影響DSM精度和切片紋理的缺失和錯(cuò)位造成的。
針對(duì)這些問(wèn)題，需要將有問(wèn)題的模型進(jìn)行修正。常用的修正方法是：①通過(guò)Smart3D的模型修正功能對(duì)幾何模型或貼圖進(jìn)行修正，之后再導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的瓦片并重新針對(duì)新導(dǎo)入的幾何模型自動(dòng)重新生成貼圖，或者直接導(dǎo)入包含修正貼圖的模型進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)生產(chǎn)導(dǎo)出(也可以將模型導(dǎo)入第三方建模軟件進(jìn)行修補(bǔ)處理，例如可以導(dǎo)入DP-Modeler對(duì)自動(dòng)建模成果進(jìn)行精修)；②對(duì)建筑變形部分進(jìn)行修補(bǔ)；③對(duì)地面上部分模型進(jìn)行精細(xì)重建；④對(duì)非單體模型進(jìn)行單體化并掛載屬性信息，使其達(dá)到后期三維GIS的應(yīng)用要求。
4.結(jié)語(yǔ)
(1)基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，利用Smart3D軟件，經(jīng)過(guò)傾斜影像聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配和紋理映射等環(huán)節(jié)，可快速構(gòu)建真實(shí)、直觀的三維模型，其自動(dòng)化程度高，作業(yè)周期短，生成成本低。
(2)但生成的模型受多種因素制約，尚存在部分瑕疵，需通過(guò)自身的修補(bǔ)功能或者導(dǎo)入第三方軟件進(jìn)行編輯處理方式才能生產(chǎn)出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的三維模型。該方法適合快速構(gòu)建區(qū)域范圍內(nèi)的三維場(chǎng)景，可用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃監(jiān)管、文物保護(hù)等領(lǐng)域。
(3)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)給三維空間信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，為政府和公眾提供了新的一體化服務(wù)和解決方案，將成為攝影測(cè)量學(xué)發(fā)展的一個(gè)新方向。
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