機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測(cè)量技術(shù)分析

發(fā)布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：14498

　　近年來(lái)，國(guó)際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)展了一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡(jiǎn)稱傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像，從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足，通過(guò)整合POS、DSM 及矢量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于影像的各種三維測(cè)量。基于人眼視覺(jué)適合于觀察傾斜透視像片的特點(diǎn)，傾斜影像測(cè)量技術(shù)更適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用。針對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，人們進(jìn)行了多方面的研究探討。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、國(guó)土安全、城市管理等領(lǐng)域。

　　1、機(jī)載多角度傾斜攝影簡(jiǎn)述

　　機(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是新一代攝影測(cè)量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取部分一般由5個(gè)數(shù)碼相機(jī)組成，包括１個(gè)垂直攝影相機(jī)和４個(gè)傾斜攝影相機(jī)，系統(tǒng)還可將攝影相機(jī)與機(jī)載GPS接收機(jī)、高精度IMU 進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來(lái)提供影像信息，而GPS、IMU 則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過(guò)在系統(tǒng)中集成定位定姿設(shè)備或進(jìn)行空中三角測(cè)量處理可為每張拍攝的影像提供位置姿態(tài)信息用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是數(shù)字制圖方面的一個(gè)重要突破，它使得“非現(xiàn)場(chǎng)”測(cè)量和分析不僅可在模型上進(jìn)行，而且也可在傾斜航片上進(jìn)行。通過(guò)攝影測(cè)量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個(gè)所謂的“場(chǎng)景文件”中，而“場(chǎng)景文件”則提供了對(duì)任一地塊、建筑物、構(gòu)筑物及特征物的多維度、多視向的觀察。國(guó)外在上世紀(jì)90年代就開(kāi)始了對(duì)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的研究，目前該技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)和市場(chǎng)的應(yīng)用方向。美國(guó)Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影技術(shù)的公司。目前Pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已在北美、歐洲得到廣泛的應(yīng)用，該類系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)對(duì)人們使用地理空間信息的方式產(chǎn)生著很大的影響。它在美國(guó)的早期成功是用于突發(fā)事件方面的應(yīng)用，而真正的發(fā)展始自于與微軟的合作，并被集成進(jìn)微軟公司開(kāi)發(fā)的Bing Maps之中。Google Earth也可能集成大角度的傾斜影像。經(jīng)過(guò)地理參考定位的傾斜影像拓展了傳統(tǒng)垂直影像的特性，提供了獨(dú)特的透視觀測(cè)方式，基于影像的三維測(cè)量系統(tǒng)具有如下的作用：①直接觀測(cè)到建筑物的立面，垂直影像上是很困難或不可能的；②能夠在影像上直接測(cè)量物體的高度、長(zhǎng)度、面積等；③改善了對(duì)電桿、燈桿等物體的識(shí)別，而要在正射影像上進(jìn)行這些識(shí)別是很困難的；④改善了非地圖專業(yè)人員對(duì)地理信息的“可讀性”；⑤擴(kuò)展了以傾斜影像的３Ｄ觀測(cè)ＧＩＳ數(shù)據(jù)的方式。

　　2、基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測(cè)量技術(shù)

　　傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)三維建模的主要目標(biāo)是，基于多角度傾斜相機(jī)攝影數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)飛行拍攝的影像、拍攝時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù)、該區(qū)域DSM 數(shù)據(jù)、矢量圖形數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行必要的加工處理，建立基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測(cè)量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容如下。

　　（1）利用POS進(jìn)行傾斜攝影高精度空中三角測(cè)量利用航拍時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù)，研制開(kāi)發(fā)高精度光束法區(qū)域網(wǎng)平差程序模塊，計(jì)算每幅影像的內(nèi)外方位元素及檢校參數(shù)等，計(jì)算立體測(cè)圖所需的定向點(diǎn)、連接點(diǎn)等。

　　（2）影像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)管理與檢索針對(duì)傾斜攝影系統(tǒng)拍攝的大量影像及位置姿態(tài)數(shù)據(jù)等，建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。

　　（3）DSM 數(shù)據(jù)管理與檢索

　　針對(duì)攝影區(qū)域內(nèi)的大量DSM 數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。

　　（4）矢量數(shù)據(jù)管理與檢索

　　針對(duì)攝影區(qū)域內(nèi)的矢量圖形數(shù)據(jù)，建立必要的數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。

　　（5）影像與DSM 融合

　　在上述處理模塊的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)傾斜攝影影像與DSM 數(shù)據(jù)的融合方法，生成高密度彩色點(diǎn)云或三維彩色影像，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云彩色化或圖像三維化。

　　（6）影像與矢量數(shù)據(jù)融合

　　研制開(kāi)發(fā)傾斜攝影影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的融合方法，實(shí)現(xiàn)影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的疊置整合。

　　（7）基于影像的三維測(cè)量與建模

　　在上述處理模塊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于傾斜攝影影像的顯示及交互三維量測(cè)，包括（相對(duì)）位置、高度、長(zhǎng)度、距離和面積等。實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的三維建模功能。

　　（8）基于WEB的查詢應(yīng)用

　　在上述模塊加工處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于WEB的查詢?yōu)g覽軟件，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的影像三維測(cè)量功能。

　　2.1三維建模技術(shù)

　　在利用傾斜攝影影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用如下的技術(shù)路線：通過(guò)研制開(kāi)發(fā)基于POS的傾斜攝影空中三角測(cè)量技術(shù)，進(jìn)一步提高位置姿態(tài)的測(cè)量精度，得到每幅影像的方位數(shù)據(jù)；擬采用快速索引技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多源空間數(shù)據(jù)的管理與檢索，開(kāi)發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口；采用DSM 數(shù)據(jù)作為多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的幾何基準(zhǔn)；利用空間同步原理實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與DSM數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)融合；研究基于影像信息支持的內(nèi)插法進(jìn)行影像三維化；擬根據(jù)攝影測(cè)量幾何約束研究開(kāi)發(fā)三維建模紋理自動(dòng)（或半自動(dòng)）映射方法。

　　2.2單斜片測(cè)量技術(shù)

　　單斜片測(cè)量是在一些基本的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，能夠?qū)螐埿逼M(jìn)行某些參數(shù)的應(yīng)用測(cè)量，主要包括地物的高度、長(zhǎng)度、距離及面積的測(cè)量等。

　　（1）單斜片測(cè)量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料包括5頭相機(jī)傾斜攝影影像資料，POS數(shù)據(jù)或空三加密成果（主要是斜片的內(nèi)外方位元素），包含斜片地面覆蓋范圍的測(cè)區(qū)DEM、DOM 數(shù)據(jù)等。

　　（2）單斜片測(cè)量的思路

　　在POS數(shù)據(jù)或空三加密成果及測(cè)區(qū)的DEM、DOM 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立待測(cè)量斜片與DOM數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，得到一定意義上的傾斜糾正影像，再對(duì)傾斜糾正斜片進(jìn)行一些相對(duì)參數(shù)的測(cè)量。

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　基于上述思想，初步開(kāi)發(fā)了一個(gè)利用傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模與單斜片測(cè)量的軟件系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的操作系統(tǒng)為XP／W7，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為VC＋＋6．0／VC＋＋2010。下面對(duì)軟件系統(tǒng)的基本功能及實(shí)驗(yàn)情況做一下簡(jiǎn)單介紹。

　　3.1加載DOM、DEM 影像由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜影像的檢索和量測(cè)，首先需要加載該區(qū)域的DOM影像，在菜單欄文件目錄下，打開(kāi)需要加載的該區(qū)域的DOM 影像，同時(shí)DEM影像也會(huì)自動(dòng)加載。

　　3.2計(jì)算斜片覆蓋范圍

　　計(jì)算斜片覆蓋范圍所需資料包括對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)、內(nèi)方位數(shù)據(jù)、相機(jī)大小數(shù)據(jù)和測(cè)區(qū)地面的平均高程數(shù)據(jù)。在菜單欄目錄下預(yù)處理→斜片覆蓋范圍，打開(kāi)POS或像片外方位元素?cái)?shù)據(jù)文件對(duì)話框，加載外方位元素?cái)?shù)據(jù)，即可計(jì)算像片的覆蓋范圍，提示程序正常運(yùn)行，此時(shí)在每個(gè)相機(jī)文件夾下會(huì)自動(dòng)生成計(jì)算出的像片覆蓋范圍結(jié)果文件Photos.cov和Photos.ctp。只有在新加載一個(gè)工程時(shí)，才需要計(jì)算像片的覆蓋范圍，之后如果重新需要加載該工程，則不需要首先計(jì)算像片的覆蓋范圍，直接進(jìn)入下一步即可。

　　3.3檢索斜片

　　加載了DOM 影像之后，就可以在DOM 影像上任何區(qū)域檢索出該區(qū)域所有匹配的影像，分為兩部分檢索斜片和檢索列表。單擊該區(qū)域即可檢索出該區(qū)域?qū)?yīng)的像片個(gè)數(shù)。

　　3.4斜片測(cè)量

　　檢索完像片之后，即可選擇最佳像片進(jìn)行測(cè)量。該軟件在斜片測(cè)量方面給出了兩種方法：

　　一種方法是根據(jù)DEM 確定動(dòng)態(tài)比例尺，計(jì)算長(zhǎng)度和面積。測(cè)量目錄下有斜片長(zhǎng)度和斜片面積兩個(gè)命令，可測(cè)量任意長(zhǎng)度和面積。

　　結(jié)束語(yǔ):

　　機(jī)載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)單角度攝影測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展，通過(guò)在一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)攝影角度的傳感器或數(shù)碼相機(jī)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的地表三維測(cè)量，而且由于其能夠同時(shí)獲取更多的地表覆蓋數(shù)據(jù)，因而能夠大大提高地表三維測(cè)量的可靠性和測(cè)量精度；還能夠在完成地表三維幾何測(cè)量的同時(shí)，獲取大量的常規(guī)攝影無(wú)法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息，其在數(shù)字城市構(gòu)建中具有重要的意義。

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