星锋锋

（济宁市勘测院，山东 济宁 272000）

随着无人机技术的迅速发展，无人机的用途越来越广泛。在地质灾害调查、应急救灾、电力巡线、农业植保、交通监视等方面，无人机都发挥着重要的作用。基于无人机垂直摄影测量，较传统人工测量来说，可以快速高效地获取高精度的测绘基础数据，已成为测绘地理数据获取的重要方式之一[1-2]。倾斜摄影测量是近几年发展起来的一项测绘新技术，首先介绍了倾斜摄影测量的原理及目前主流的倾斜摄影建模软件和建模流程，并以实际带状数据空中三角测量（以下简称“空三”）解算为例，对空中三角测量常用的几种优化方式进行了介绍，可以有效提升空三解算成功率。基于合格的空三成果生产实景三维模型，并对其精度进行检测。检测结果表明，基于倾斜摄影生产的实景三维模型，精度可以满足1∶500地形图精度要求，为大比例尺地形图采集提供一种可靠高效的作业方式。

1 倾斜摄影测量技术介绍

1.1 倾斜摄影测量原理

倾斜摄影测量是指在无人机或者有人机等航飞装置上，安装一台或多台可量测或非量测数码相机，从空中对地面进行多角度拍摄，获取地面物体丰富纹理信息的一项技术[3-5]。然后依据摄影测量中的共线方程和野外控制点，将摄影测量坐标系转换到大地测量坐标系中，完成对地面物体坐标的精准测量[6]。常见的倾斜摄影搭载的相机主要有2镜头、3镜头、5镜头甚至更多镜头。以5镜头为例，其由1个下视镜头和4个侧视镜头组成，侧视镜头主要获取地面目标的侧面纹理信息，下视镜头可以直接获取地面目标的顶部信息。倾斜摄影较传统的垂直摄影，其重叠度要求更高，普遍要求航向、旁向均为80%，这使得数据量成本提升，存在很多的冗余影像。冗余影像虽然为数据解算带来了一定的影响，但是由于是多镜头、多角度获取影像，使得影像成果的可用信息大幅度提升，这为高精度空三成果以及后续模型等成果奠定了基础[7]。

5镜头相机，通常侧视焦距比下视焦距要大，这是因为在同一高度，侧视相机中心点到影像中心点的距离比下视相机的大，因为存在一个很大的角度。由焦距、航高、像元大小和影像分辨率四者之间的关系可知，当像元大小和影像分辨率相同时，航高和焦距成正比。这里的航高，对于下视镜头来说，是飞机距离地面的垂直距离，对侧视相机来说，是其距离侧视影像中心点的距离，是一个斜距。假设侧视相机与下视相机之间夹角为45°，则侧视焦距应为下视焦距的1.4倍，这样获取的影像分辨率才可能一致，才有利于数据的解算。

1.2 倾斜摄影建模软件

倾斜摄影测量软件是专门针对倾斜数据开发的一款软件，软件主要涉及到数据的导入、空三的解算和模型数据的输出。较传统垂直摄影测量软件来说，倾斜摄影测量软件一般可集群作业，有主控程序和数据解算程序（一般称引擎端）等，部分软件还支持一机多开引擎。目前国外主流的建模软件有Context Capture、像素工厂、街景工厂、Photo Scan、Photo Mesh、Photo Mod、inpho等，国内主流建模软件有上海瞰景的Smart3D、中测智绘的Mirauge3D、大疆智图、重建大师等，这些软件均支持集群进行空中三角测量解算和模型数据输出。

1.3 倾斜摄影建模流程

倾斜摄影建模流程主要包括前期数据准备、空中三角测量、实景三维模型数据输出和模型精度检测[8-9]，具体详细流程如图1所示。

图1 倾斜摄影建模流程图

2 基于Context Capture软件的倾斜实景三维模型制作

2.1 项目区介绍

实验数据来源于河湖确权项目，任务区长约50 km，宽约1 km，属于典型的带状区域。高差约100 m，地面分辨率设置为5 cm，搭载5镜头倾斜相机进行影像数据的获取。测区范围内除测区边缘按照1 km布设像控点位，每4个点中间再布设1个像控点，使其尽可能形成等边三角形，增加整个区域后期平差的稳定性。

2.2 数据预处理

在生产过程中，数据预处理主要包括以下几方面：①影像数据处理。删除试拍无效影像，利用Photoshop软件创建动作，并对原始影像的亮度和纹理色彩进行调整。②POS数据处理。利用ArcGIS软件，对原始经纬度格式的POS数据进行定义和投影，将其转换到目标坐标系下。③相机参数优化。利用少量原始影像，进行空三解算，得到准确度较高的相机参数，主要是获取相机精确的焦距。

2.3 空中三角测量优化研究

空中三角测量解算是倾斜摄影建模整个流程中最重要的环节，空三解算成功与否直接影响后续模型的输出。带状数据的空三解算，在倾斜摄影数据解算中失败率较高，为了提升带状数据的空三解算成功率，在对实际项目生产的过程中，提出了几种空三优化的方案，并对各方案的优缺点进行了说明。空三优化方案主要有以下几种。

2.3.1 基于Photo Scan进行空三加密

Photo Scan是一款很好的空三解算软件，对于大多数数据来说，都可以一次性解算完成，且可以集群，效率高。但是其输出模型格式少，较Context Capture软件而言，其输出模型成果精细度较差，因此一般只用该软件计算空三，模型输出由Context Capture软件完成。在项目生产中，该方法有一定的局限性，测区面积大，会导致其成果需要较大内存，在导入Context Capture软件时，会因内存大，导致输入时内存溢出，导入失败，不适合做大面的倾斜数据。

2.3.2 基于相机参数优化进行空三加密

倾斜摄影测量使用的相机，通常都是经过改造的，并没有对相机进行检校，因此给出的相机参数并不精确。在空三解算过程中，输入准确的相机参数，可以有效提高空三解算的成功率，因此可对相机参数进行计算。利用少量照片进行空三加密解算，得到5个相机精确的相机参数，将该参数作为初始值输入到软件中，在进行空三解算时，以输入的数值为依据进行微调，进行空三的解算，通过项目实际生产实例，证明了该方案的可行性。

2.3.3 基于分块合并的方式进行空三加密

该方法就是将带状数据分割成很多小块，然后每块进行空三加密解算，再利用公共点来进行不同块的接边。在分割块的时候，要确保接边区域至少有3个像控点能够公用，这样可以提高空三解算的成功率。但分割成多个小块，精度不一、效率较低，接边区域模型还是会存在裂缝，不利于后期模型成果的应用。

2.3.4 基于Mirauge3D和Context Capture进行空三加密

Mirauge3D软件是中测智绘推出的一款倾斜摄影建模软件，该软件依据导入的POS数据，可进行自动分块，然后对每块进行空三加密解算，再进行自动融合，得到完整的空三。该软件空三解算通过率高，但是精度较差，一般不能满足项目需求，但是通过解算，可以得到比较准确的外方位元素和加密点坐标，可作为成果引入Context Capture软件中，进行像控点的转刺，然后带着像控点再次进行空三加密，得到精度更高的空三成果。该方法需要做2遍空三，效率低，但是成果是一个工程完成的，精度均匀，模型不存在裂缝，有利于后期使用。

2.3.5 基于5路POS进行空三加密

通常能够见到的5镜头数据，5个相机是共用一组POS数据的，但是实际情况是5个镜头对应的是5路POS数据，虽然5路POS差值不大，但是也会对空三解算带来影响，降低空三解算的成功率。为了解决这一问题，可以结合5镜头平台检校参数，以下视镜头为标准，利用平台检校参数对其余4个侧视相机的POS数据进行解算，得到精确的5路POS数据。也可基于下视镜头进行空三加密解算，得到精准的位置数据和姿态数据，然后计算得到4个侧视相机的位置和姿态数据，提高空三解算的成功率。

通过以上方式对空三进行优化，空三解算一次性通过。通过人机交互方式对空三成果进行查看，无明显的弯曲、分层现象，通过查看加密报告，自由网重投影中误差为0.51个像素，加密点分布均匀，空三成果质量良好。

控制点的转刺对空三的精度极其重要，为了提高本次空三成果的精度，减少影像畸变带来的精度损失，在实际作业过程中，对控制点的点位距影像边缘的距离是有要求的。通过目测估算，对于点位在影像边缘2 cm内的点位不进行控制点转刺，对于遮挡、模糊不清的点位不进行转刺。其余的点位，能转刺的尽量全部转刺，这样能够全包控制点对多数影像直接进行约束。在转刺完控制点后，为了提高运算速率，连接点选择“保持”，其余参数默认。待平差完成后，查看平差报告，控制点的平面中误差为0.012 m，高程中误差为0.008 m，精度均满足相关规范要求。

2.4 实景三维模型制作

带状区域，多个工程输出的模型需要接边，在生产的时候，将决定瓦片命名的原点和模型输出的原点统一设置为一个值，该值位于测区中心点，这样一来，可以确保最后的模型成果在展示时精度损失最小。结合电脑配置和项目需求，设置瓦片大小为100 m，平面简化为“0”m，输出分辨率为0.02 m，输出格式为OSGB，纹理质量100%。待所有数据生产完成后，对各工程输出的模型成果进行接边汇总，制作索引文件。

2.5 成果精度统计与分析

利用GPS-RTK在测区范围内随机均匀采集15个检查点，利用EPS软件，对模型成果精度进行检测。首先将OSGB格式模型导入到EPS软件中，再将检测点导入，然后通过检测点定位，在模型上采集其对应的点位，自动计算较差，得到模型成果的精度统计值，具体检测较差如表1所示。

表1 检测点精度统计表（单位：cm）

表1（续）

通过表1可以看出，15个检测点中，平面较差最大的为5.9 cm，最小的为3.4 cm；高程较差最大的为5.7 cm，最小的为2.8 cm；三维较差最大为8.2 cm，最小为4.6 cm。平面中误差为4.6 cm，高程中误差为4.1 cm，其精度均可以满足1∶500比例尺地形图精度需求，可用该方式生产大比例尺地形图。

3 结束语

本文对倾斜摄影测量技术进行了介绍，以实际生产中带状数据项目为例，重点对空中三角测量的优化方式进行了说明，并在项目应用中取得了较好的成效。通过对实景三维模型精度进行检测，可知采用倾斜摄影方式生产的模型，精度可满足1∶500比例尺地形图精度需求，可为大比例尺地形图测绘提供新的作业方式。