傾斜攝影拍照技術(shù)是測繪領(lǐng)域近年來展開起來的一項高新技術(shù)，可通過在同一翱翔途徑搭載多臺傳感器，從一個垂直、四個傾斜這5個視點同步曝光采集形象，獲取真實地物信息，并選用后處理軟件構(gòu)建實景三維模型。近年來，無人機(jī)技術(shù)得到快速展開，它以高效、便利、本錢低一級利益，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對無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模，并對數(shù)據(jù)處理進(jìn)程以及存在問題進(jìn)行總結(jié)。
1.無人機(jī)傾斜攝影測量發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，無人機(jī)通常會加載高精度POS，后期數(shù)據(jù)處理自動化程度高，但購買費用較高。在國內(nèi)，早期的無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要用汽油機(jī)動力固定翼無人機(jī)搭載非專業(yè)航測相機(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)。
隨著無人機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，電動固定翼、多旋翼以及動力三角翼等新型低空飛行器逐漸應(yīng)用于測繪行業(yè)。傾斜攝影測量系統(tǒng)在國外發(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。在國內(nèi)，劉先林院士團(tuán)隊率先研發(fā)出的SWDC-5是國內(nèi)第一臺專業(yè)航空傾斜相機(jī)。當(dāng)前，將無人機(jī)技術(shù)與微型傾斜攝影技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行低空無人機(jī)傾斜攝影測量己經(jīng)成為新興的研究熱點。例如，北京紅鵬天繪科技有限責(zé)任公司研發(fā)的微型無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可以對特定區(qū)域進(jìn)行快速三維建模，并為測繪、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。
在無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)后處理方面，國外軟件的自動化程度較高，例如法國像素工廠的PixelFactory等；國內(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，基于無人機(jī)傾斜影像進(jìn)行快速三維建模的軟件，國外主要有空客防務(wù)與空間她理信息公司的StreetFactory，法國Acute3D公司的Smart3D等，它們通過導(dǎo)入相關(guān)原始數(shù)據(jù)即可自動生產(chǎn)三維模型；而國內(nèi)目前尚無該類全自動建模軟件，但有很多積極有效的實踐，例如武漢天際航信息科技有限公司開發(fā)的DP-Modeler可實現(xiàn)基于傾斜影像的高精度手工建模。
2.技術(shù)路線及實施方案
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。總體技術(shù)路線(圖1)為：①將傾斜影像進(jìn)行空中三角測量，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多視影像密集匹配，獲得高密度三維點云，構(gòu)建城市3DTIN模型；③根據(jù)3DTIN每個三角形面片的法線方程與二維圖像之間的夾角選擇相對應(yīng)的最佳紋理信息，實現(xiàn)紋理的自動關(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)和外控點成果。
2.2傾斜影像聯(lián)合空中三角測量
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)的同名像點自動量測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，可計算每個像元的物方坐標(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，結(jié)合少量的外業(yè)控制點通過區(qū)域網(wǎng)平差，可實現(xiàn)多視角聯(lián)合空中三角測量，最終生成空三報告(圖2)。該報告可以用于理解場景和圖像的空間結(jié)構(gòu)并且直接應(yīng)用于下一步匹配和建模。
2.3匹配生成密集點云
多視影像密集匹配能得到高密度數(shù)字點云，通過優(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匹配，引入并行算法，可以提高計算效率。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信息，因此會造成匹配精度不高，生成的模型不夠精確，也會影響后期真正射影像的自動生成，這些問題需要人工編輯修改進(jìn)行解決。
2.4構(gòu)建TIN模型
經(jīng)過密集匹配獲得的高密度點云數(shù)據(jù)量很大，需要進(jìn)行切割分塊?？筛鶕?jù)計算機(jī)性能以及設(shè)置的優(yōu)先級別對切塊的點云數(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，避免遮擋對匹配產(chǎn)生的影響，再引入并行算法提高計算效率以快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上同名點坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的高密度三維點云數(shù)據(jù)；③基于點云構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度(LevelsofDetail)下的三角網(wǎng)(TIN)模型。通過對三角網(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，同時通過對連續(xù)曲而變化的分析對相對平坦地區(qū)的三角網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化，降低數(shù)據(jù)冗余，獲得TIN模型矢量架構(gòu)(圖4)。
2.5自動紋理關(guān)聯(lián)
自動紋理映射主要基于瓦片技術(shù)，即將整個建模區(qū)域分割成若干個一定大小的子區(qū)域(瓦片)，基于集群處理系統(tǒng)的并行處理機(jī)制將每個瓦片打包建立成為一個任務(wù)自動分配給各計算節(jié)點進(jìn)行模型與紋理影像的配準(zhǔn)和紋理貼附，同時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景(圖5)。
3.建模過程中存在的問題及建議
采用Smart3D進(jìn)行三維建模，其自動化程度較高，但生成的三維模型會存在一些錯誤需要修正：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地不一致(例如道路路而)等。產(chǎn)生這些錯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位造成的。
針對這些問題，需要將有問題的模型進(jìn)行修正。常用的修正方法是：①通過Smart3D的模型修正功能對幾何模型或貼圖進(jìn)行修正，之后再導(dǎo)入對應(yīng)的瓦片并重新針對新導(dǎo)入的幾何模型自動重新生成貼圖，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對自動建模成果進(jìn)行精修)；②對建筑變形部分進(jìn)行修補(bǔ)；③對地面上部分模型進(jìn)行精細(xì)重建；④對非單體模型進(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
(1)基于傾斜攝影測量技術(shù)，利用Smart3D軟件，經(jīng)過傾斜影像聯(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、直觀的三維模型，其自動化程度高，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)的三維場景，可用于自然災(zāi)害監(jiān)測、城市規(guī)劃監(jiān)管、文物保護(hù)等領(lǐng)域。
(3)無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)給三維空間信息產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(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，將成為攝影測量學(xué)發(fā)展的一個新方向。
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