李偉哲

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院,西安 710002)

0 前 言

傾斜攝影是采用傾斜相機搭載在航空飛行器上獲取地物信息的一種新型的航空攝影方法。傾斜攝影航拍與傳統(tǒng)的垂直于地面的航空攝影方式不同，傾斜攝影技術(shù)一般情況下采用5個航拍鏡頭不同角度的組合設(shè)備，同時采集下、前、后、左、右5個方向航拍影像數(shù)據(jù)，配合航空飛行器的慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取具有較高的位置以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過專門的影像數(shù)據(jù)處理軟件進行空中三角測量(空三)處理，將所有拍攝的影像解算至統(tǒng)一的坐標(biāo)系，通過在線分發(fā)，使用者可在線從不同的角度對數(shù)據(jù)進行瀏覽和量測，在信息快速獲取方面優(yōu)勢明顯。

航空器采用大疆創(chuàng)新公司的“悟”Inspire 1 Pro，其為專業(yè)的航拍飛行器，標(biāo)配含有15 mm鏡頭，擁有三軸增穩(wěn)云臺、定點環(huán)繞等功能，設(shè)備采用的新一代大疆自己研制的Lightbridge高清視頻無線傳輸技術(shù)。所有數(shù)碼相機和無人機的飛控參數(shù)可以完全通過移動設(shè)備安裝的軟件來設(shè)置調(diào)整，同時其支持一鍵起飛。無人機除了擁有基于GPS在室外的導(dǎo)航系統(tǒng)外，還擁有一定條件下的視覺定位系統(tǒng)，可以在沒有外部GPS信號的條件下實現(xiàn)其自主懸停，保證無人機的安全。

采集的影像數(shù)據(jù)處理軟件采用Bentley公司的實景建模軟件：Context Capture(原名Smart 3D Capture)，可使用各種數(shù)碼相機所拍攝的影像資料，為所需環(huán)境輕松生成具有高分辨率的實景三維模型。為使用者生成可用于導(dǎo)航的三維模型產(chǎn)品，而此實景三維模型擁有逼真的細節(jié)、清晰的邊緣和精確的幾何特性?？梢园凑兆约旱墓ぷ餍枰?，采用任何尺寸或分辨率來創(chuàng)建所需三維模型。擁有數(shù)碼照片紋理的、并且按照地理位置采用坐標(biāo)系統(tǒng)定位的三維模型，這些模型產(chǎn)品都直接從影像資料中解算生產(chǎn)。

1 數(shù)據(jù)采集

測區(qū)是以龍首壩壩址為中心的矩形區(qū)域，區(qū)域長約500 m、寬500 m，共0.25 km2，相控點布設(shè)較密，其間距約為80 m，相控點采用RTK動態(tài)采集。無人機航拍采用DJI“悟” Inspire 1 Pro拍攝，掛載相機ZENMUSE X5，鏡頭焦距15 mm，傳感器尺寸M4/3，有效像素1 600萬。傾斜影像獲取采用正射及前后左右傾斜30°共5個方向獲取，測區(qū)設(shè)置航向重疊度80%，設(shè)置旁向重疊度70%，航拍相對航高大約200 m，地面分辨率約為5 cm，飛行架次5次，采集照片數(shù)量356張，共2.16 GB。經(jīng)確認(rèn)，影像完整，相控點清晰可見，可以使用,即完成外業(yè)的航測數(shù)據(jù)采集工作。

2 數(shù)據(jù)處理

通過新建工程，設(shè)置工程目錄，填寫必要的備注信息，即可成功創(chuàng)建一個工程。在空白工程的新區(qū)塊導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)后，如圖1。

圖1 ContextCapture導(dǎo)入影像信息界面圖

圖2 航拍點及連接點概略3D視圖

根據(jù)測區(qū)實際情況選擇投影坐標(biāo)系并導(dǎo)入相控點，對每個架次的影像進行刺點操作。無人機航拍時自帶GPS定位系統(tǒng)，并將拍照時的概略位置信息實時寫入了照片的EXIF信息內(nèi)，故無需再次將位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中。但是因為照片中并沒有包含姿態(tài)數(shù)據(jù)，所以在導(dǎo)入照片以后，圖1中提示“影像信息不完整”，需要通過第一步的空三處理來獲得每一幅參與解算影像的精確位置信息及角元素信息。同時，輸出了擁有連接點的概略3D視圖模型，如圖2，根據(jù)該連接點模型，查看空三結(jié)果是否正確，同時檢查空三后相控點的精度結(jié)果，避免因模型分層、影像位置信息錯誤、匹配漂移、相控點刺點錯誤等原因使得空三結(jié)果不滿足要求，造成后期的返工，確保處理工作順利進行。

當(dāng)完成所有解算影像的匹配，即具有了完整且精確的位置信息及角元素信息，相控點的匹配精度也滿足要求，就是完成了初步空三解算[1]。

3 成果輸出及應(yīng)用

在完成初步空三解算基礎(chǔ)上提交新的生產(chǎn)項目，就可以使用ContextCapture生產(chǎn)各種不同格式的產(chǎn)品成果，其中包括三維網(wǎng)格(如圖3)、點云、正射影像等多種類型。可以導(dǎo)入各種各樣軟件進行瀏覽編輯，甚至直接參與勘察設(shè)計。

圖3 ContextCapture生成三維網(wǎng)格模型圖

3.1 3MX、S3C文件格式

這兩種格式都是ContextCapture自帶的三維模型數(shù)據(jù)格式，其中S3C格式是原軟件未被Bentley收購之前叫做Smart3D時使用的模型格式，可以手動配置S3C索引文件來合并傾斜模型數(shù)據(jù)，但模型接邊高程有較小的差值。3MX格式是可以在Bentley軟件中使用的通用格式，可以在Bentley Microstation[2]進行模型參照，如圖4，在Bentley Descartes中對模型進行一定的修改?；贐entley公司強大的Microstation系列軟件可以多種操作，可以完成多種設(shè)計，規(guī)劃等工作。

圖4 3MX文件導(dǎo)入Microstation作為參照圖

3.2 OSG等通用文件格式

圖5 在清華山維EPS中提取OSGB的元素信息圖

OSG(OSGB)是目前應(yīng)用最廣且開源的通用文件格式[3]，OSG支持骨骼動畫、關(guān)鍵幀動畫等各種流行的動畫，它可以將3DStudio Max創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為OSG格式，導(dǎo)入數(shù)據(jù)到項目中進行操作，osgAnimation庫里擁有大量的動畫實用類。而在OSG相關(guān)的擴展中，最引人注意的是osgEarth、VPB和osgOcean，它們可以幫助開發(fā)者制作一個功能強大并且完善的三維地形數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，osgEarth的功能與GoogleEarth類似,且地形的生成效率可與GoogleEarth媲美。osgOcean是OSG的海洋擴展模塊，其特點是可以非常逼真地仿真大面積水域，同時還可以在此基礎(chǔ)上做二次開發(fā)，做更多的功能應(yīng)用。

清華山維的EPS作為與南方CASS類似功能的軟件，無需基于AutoCAD就可以獨立使用，它可以導(dǎo)入OSGB格式的三維模型文件，如圖5。通過軟件內(nèi)置的編輯功能可以提取三維模型中的點、線、面等元素信息[4]，具有與南方CASS同樣的繪圖功能，但由于用戶普及率較低，與用戶的交互性相對較弱。由于EPS可以進行二次開發(fā)，不同格式和編碼的轉(zhuǎn)化、批量化操作等都可以通過腳本來完成[5]。

3.3 OBJ文件格式

OBJ文件格式是Wavefront軟件公司為它的3D建模和動畫軟件“Advanced Visualizer”開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)三維模型文件數(shù)據(jù)格式，很適合用于3D軟件模型之間的互相轉(zhuǎn)換。OBJ文件是一種采用文本格式存儲的數(shù)據(jù)文件，可以直接用寫字板等的文本編輯軟件打開進行查看和編輯修改[6]。

現(xiàn)在幾乎所有著名的3D應(yīng)用軟件都支持對OBJ格式文件的讀寫，如：3D Studio Max、Autodesk Maya、Geomagic等。在建模軟件中無法直接編輯其生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過在這些軟件中的編輯等操作，可以解決建模成果一些無法自動識別的誤差及錯誤，可以通過ContextCapture中的“導(dǎo)入修飾模型”功能，將修改之后的模型導(dǎo)入工程文件，更新產(chǎn)品模型，生產(chǎn)更加符合要求、且更精細的模型產(chǎn)品。

3.4 STL文件格式

STL文件格式是最多快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件類型。STL是采用三角網(wǎng)格來展現(xiàn)三維模型。STL文件格式簡練，其只描述三維物體的幾何位置信息，并不支持顏色及材質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，它是計算機圖形學(xué)處理、數(shù)字幾何處理、數(shù)字幾何工業(yè)應(yīng)用支持的最常見文件格式。

使用模塊化的CATIA提供產(chǎn)品的風(fēng)格和外型設(shè)計、機械設(shè)計、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機、機械加工、分析和模擬等。CATIA軟件基于開放式可擴展的V5架構(gòu)。

通過導(dǎo)入STL文件，不包含紋理信息，只需要將模型中影響因素剔除掉，替代了原有的加載數(shù)字線畫圖形式，可以在白膜的基礎(chǔ)上設(shè)計加載建筑等BIM模型[7]，如圖6，使得設(shè)計工作更加準(zhǔn)確、直觀。

圖6 STL文件與設(shè)計文件疊加在CATIA圖

3.5 Google Earth KML文件格式

Google Earth KML是一種可以導(dǎo)入谷歌地球軟件用于展示的三維模型格式，在谷歌地球軟件應(yīng)用廣泛的前提下，它也可以作為瀏覽器快速地、方便地瀏覽三維模型，如圖7。但是由于谷歌地球軟件所使用高程數(shù)據(jù)即為SRTM3，精度90 m，所以在導(dǎo)入模型內(nèi)插時，位置信息及高程信息并不準(zhǔn)確，僅可以用作展示。Google Earth軟件具有良好的開放性且多樣化，高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不斷累積，可以通過人工，提高模型精度，必然會改變未來勘察設(shè)計應(yīng)用及作業(yè)模式，有力推動三維模型的發(fā)展應(yīng)用[8]。

圖7 Google Earth KML疊加在軟件中展示圖

3.6 正射影像、DSM

現(xiàn)在基本上空三解算軟件都可以生產(chǎn)正射影像及DSM的產(chǎn)品，利用行業(yè)所熟知的ArcGIS導(dǎo)入該產(chǎn)品，在ArcScene中將正射影像與DSM疊加展示，形成可視的三維模型，也可以在其中提取所需要的元素信息[9]，例如點、線、面、坡度等元素。也可以單獨將正射影像導(dǎo)入CAD軟件中，作為底圖，提取影像上所需要的地物類信息，方便快捷。

3.7 三維點云

三維激光掃描技術(shù)又稱之為實景復(fù)制技術(shù)，是測繪學(xué)領(lǐng)域繼GNSS技術(shù)之后的再一次技術(shù)創(chuàng)新革命，具有效率高、精度高等的優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能掃描物體表面的三維模型點云數(shù)據(jù)，通過該技術(shù)獲取的地形圖，精度可靠、作業(yè)效率高。對于布設(shè)在岸坡陡峭且植被稀少地形中的水電樞紐等工程，其應(yīng)用優(yōu)勢尤為明顯[10]。

三維點云是其產(chǎn)品成果，在技術(shù)不斷更新的情況下，ContextCapture已經(jīng)支持點云與傾斜攝影配合的建模方法，具有更高的精度。編輯軟件也是多種多樣，諸如LP360、Terrasolid、CATIA、MicroStation、AutoCAD等，為點云的應(yīng)用提供多樣的方案。

4 實景建模存在問題的分析

雖然傾斜攝影技術(shù)基本上能夠全面地展示實際情況，新的技術(shù)也逐漸得到開發(fā)及應(yīng)用。但是該技術(shù)目前仍然存在一定的問題需要改進。

(1) 無人機航拍幾乎成為傾斜影像數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用基礎(chǔ)，靈活的作業(yè)方式、方便的采集手段、較高的采集精度都是無人機的優(yōu)勢。但是它的續(xù)航是數(shù)據(jù)采集效率的短板，續(xù)航能力成為其推廣的制約條件，研發(fā)體積小、重量輕、容量大的能源載體迫在眉睫。

(2) 在后期計算時，航攝比例尺不一致、分辨率不統(tǒng)一、地表物體遮擋等原因?qū)е聰?shù)據(jù)存在一定的粗差，影響后期影像空三計算結(jié)果的精度。應(yīng)加強對傾斜攝影大量冗余的合理利用，提高匹配精度、減少影響。

(3) 在傾斜攝影的產(chǎn)品生產(chǎn)中，某些區(qū)域存在模型缺失或產(chǎn)品失真等問題，無法完整清晰表達，是由影像數(shù)據(jù)不完整或地物遮擋所導(dǎo)致。需要通過再次航拍補測、人工相機拍攝或車載近景攝影測量將缺失數(shù)據(jù)補全。

(4) 激光雷達技術(shù)已經(jīng)進入我們的視野，在無人機和車載技術(shù)的支持下，可以用它得到的點云數(shù)據(jù)將地表的植被、構(gòu)筑物、移動物體等數(shù)據(jù)信息分類提取應(yīng)用，且激光雷達技術(shù)擁有較高的數(shù)據(jù)精度，將其加入數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)中，與傾斜攝影相結(jié)合，可以提高空三計算的效率、三維模型數(shù)據(jù)精度、傾斜實際產(chǎn)品效果等。在進行修模作業(yè)時，大大減少了人工修改、構(gòu)筑物分類、單體化分類的工作量。雖然目前采集成本較高，但是優(yōu)勢明顯，必將得到廣泛應(yīng)用。

(5) 計算機技術(shù)成為模型產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)，單機的低效率同樣制約模型的生產(chǎn)效率。近些年通過對計算機的硬件性能提升、軟件算法的改進優(yōu)化、增加多節(jié)點并行計算的功能，已經(jīng)很大程度上改善的生產(chǎn)效率問題，將僅僅由計算機參與的生產(chǎn)時間壓縮到較短的范圍。

5 結(jié) 語

基于ContextCapture實景建模及應(yīng)用技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的測繪行業(yè)作業(yè)方式，并且大幅提升了測繪作業(yè)效率，節(jié)約大量外業(yè)工作時間，同時協(xié)助設(shè)計工作從簡單的平面畫圖為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變到了以三維模型為基礎(chǔ)，大大增加了設(shè)計的直觀性和三維模型的適用范圍，可以滿足不同的工程需要。傾斜攝影實景建模技術(shù)具有高效率、高還原度、以及快速獲得海量地理信息數(shù)據(jù)的特點，傾斜攝影技術(shù)日趨成熟，不斷發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛。三維技術(shù)不斷向高科技和數(shù)字化的方向發(fā)展，未來必將成為測繪的核心技術(shù)，成為數(shù)字城市的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。