正摄影像建立三维实景模型的应用研究

梁良

摘要：文章主要论述了利用直升机所摄取的正摄影像通过CC软件自动生成地表三维实景模型的应用研究，解决了航摄前未预设像控点的问题，掌握了正摄影像快速生成三维实景模型的方法，并结合卫星地图软件约束了模型的生产范围，为个旧东部矿区基础建设轻松快速地提供了直观、科学、准确的依据。

关键词：正摄影像   ContextCapture软件  像控点  模型精度分析

1 前言

个旧东部矿区航摄及建模生产项目，面积约124km2，由于整个矿区地处哀牢山余脉，地形地貌多为丘陵且海拔差异大，生活区、工业园区较为分散，多年来矿区一直采用正摄航测地形图。随国家对矿山安全标准化的实施，现有地形图已不能满足矿区地表部分区域土地复垦管理，工业园区房屋和厂房的拆除新建及地形图跟踪等进行量化评判。因此，需要三维实景模型来满足矿区管理需求提供重要参考依据，所以采用已有正摄影像建立三维实景模型以研究应用于矿区管理需求。

2 正摄影像及预处理

矿区所使用的正摄影像通过载人直升机挂载卡尔蔡司Milvus2.8/18超广角镜头及POS惯导系统，航线设计为贴近地面、依地势起伏飞行的方案所获取。由于航摄时与地面相对航高为300m，航线间隔234m，相机航向重叠度70%，旁向重叠度50%，飞行地速28m/s，因此很大限度的保证了正摄影像每一图幅的分辨率和覆盖率，满足了三维模型建立的基本要求。

每架次需对应POS数据检查影像数量是否一致并对航摄影像是否清晰展开检查，选取每张影像的中心范围来确定航向重叠度与旁向重叠度是否符合航线设计要求，也可将POS数据导入相应地图软件查看是否与航线设计基本一致。

3 软件数据处理

    3.1 修改POS数据

POS数据由于航摄仪只有1个镜头曝光，单个飞行架次所获取的POS数据信息非常多，涵盖了影像名称、经纬度、绝对高程、俯仰角、横滚角、偏航秒值及卫星数量均值。需修改影像名称后缀为“. jpg”，且删除卫星数一列。将保留点号、经纬度、高程的POS数据以CSV格式导入相应卫星影像地图软件，按照架次为单位圈定产出模型后的范围。

3.2 影像自检

建模软件选用CC（ContextCapture）其高兼容性，无需人工干预就可对各种对象、各种数据源进行精确无缝重建，能够满足三维模型建立的需求。将正摄影像、处理后POS成果数据导入CC，对应首先需要创建photo 文件，将航摄获取的正摄影像镜头的数据，更改好的POS数据、控制点成果均按软件要求设置好格式和路径，导入加密模块，然后创建camera文件，设置好相机的像素、像幅、焦距、主点和各个相机的相机方向等参数信息，最后根据创建好的文件生成一个block.xml 文件，软件自动根据 block文件创建工程。导入block文件后，检查影像排序和相机旋转方向是否正确，确认无误后设置矿区采用的坐标系统及测区参数。

    3.3 空三解算

CC空三的优化模式依靠于空间三维直角坐标系，它的优势在于利用像元矫正自身坐标，不依赖POS数据的优化，仅依赖于控制点的拉动来完成绝对定向。数据准备就绪后进行空三加密，由于POS数据信息在椭球投影的一致性不高，会加大绝对定向的精度控制难度。如（图1）没有控制点的绝对拉伸，影像首次加密解算后非但没有控制在测区范围，还扭曲严重，像元匹配严重失真，需反复多次进行空三加密对获取的特征点采用不同视位和密集匹配等进行同像元匹配，然后进行迭代平差优化、畸变差校正等步骤获取绝对的方位元素才能使其像元完全解算匹配，从而得到每一幅影像准确的旋转角度和空间位置。

   

（图1）

    3.4 三维重建

经过空三加密解算后得到了海量高密度的点云数据，对于这种海量数据需要对其进行重组、分割切块。按照设置块的面积大小、坐标系参数、原点坐标对分割的区块内的密集点云构建不规则三角网，并生成带白膜的三维模型，由于所有像元均具有准确的绝对位置信息，该过程可自动将纹理快速地映射在影像对应位置的三维模型面上，最后输出模型纹理清晰逼真的三维瓦片，自动拼接后从而得到三维实景模型。

4 像控选点

模型生产出来后，选择模型明显的特征点作为像控点，且特征点周围高程无较大变化，例如斑马线、水泥盖板、车位线、花坛等拐点、端点，现场用CORS-RTK方式对应模型进行特征点的空间三维坐标采集。由于大多数架次航线设计为细长型，实地长度超过15km，宽度约4km，所以采取以模型边缘地带为主，间隔1000m-1200m采集一个特征点作为像控点，模型中间地带为辅，间隔1600m-1800m采集一个特征点作为像控点。

5 模型质量分析

正摄影像通过CC软件建模技术能够提供三维点云、三维实景模型、真正摄影像(TDOM) 、数字表面模型(DSM) 等多种成果形式，其中三维实景模型具备真实、直观、具体的特点。可以将这种三维实景模型当做一种新的基础地理数据来进行精度评定，包括

模型精度、几何精度和模型吻合度等多个方面。

    5.1 模型精度

以相同方式再采集一些特征点作为检查点，检查点只需平均分布在模型范围内即可，通过模型与实际的平面坐标、高程对比59个特征检查点得出△X＜0.2m、△Y＜0.2m、△Z＜4.5m（图2），参考GB/T14912-2005《1∶5001∶10001∶2000外业数字测图技术规程》分析数据可得出平面坐标精度满足1：1000地图制图精度要求，而高程数据是仅由CORS-RTK的采集方式所获得，且每平方千米的图根高程控制点不得少于16个（包括高级控制点），故高程精度远达不到1:1000的要求。

（图2）

    5.2 模型吻合度

首先对已拼接好的多架次相连模型检查接缝间是否存在平面错位及高程差异，将外业检查点的实际坐标与地表实景三维模型上的坐标之间展开对比。通过查看两相邻模型拼接处可看出，平面位置基本重叠，多架次相连模型接缝间同一特征点平面位置差值＜0.3m，高程差值＜4.43m（图3）。像控点平面位置模型与现场差值＜0.07m, 高程差值＜0.13m，特征点平面点位差值＜0.2m，高程差值＜2.84m。

   

（图3）

5.3 几何精度

真正的三维实景建模，影像重叠度越大的地方纹理越全，三维的几何特征就越完整。相较多镜头来说，像组多了倾斜镜头，模型立面所表达纹理就很清晰。反之，只有正摄影像重叠不够可能出现破面、漏面、悬空、拉花等情况，影响地物几何信息的完整表达。而正摄影像生产出来的三维实景模型，由于影像立面重叠度不足、纹理信息不能够完整的将地物信息所展示出来，所以在几何精度方面不符合其三维模型要求（图4）。这种属于原理性问题，无法完全避免。

（图4）

5.4 原因分析

三维实景建模完全依靠计算机来自动匹配地物的纹理信息，对于首次空三解算的扭曲，分析原因可能是实地相对高差变化大，单架次图幅长宽之比过大，边缘位置距像控点远，像控点数量不足等，导致空三在解算过程中未能完全拉伸影像，只能多次解算空三和增加控制点来解决此问题。对于模型阴影黑块，原因可能是影像摄取时间过早或过晚，造成大面积阴影，从而模型阴影部分模型失真。影像质量不同，导致匹配结果可能存在色彩和明暗度不一致、纹理不清晰等情况，要提高纹理精度就必须提高参加匹配的影像质量，剔除存在镜头反光、地物阴影、大面积相似纹理、分辨率变化异常等问题像片，提高匹配计算的准确度。

6 结论

CC软件能够以多种原始数据较好完成地表三维实景模型的建立，并能融入其它信息。在个旧东部矿区地表三维实景模型建立解决方案中，相较倾斜测量来说，降低了部分外业成本，减少了数据量，但需要大量控制点来纠正模型，而模型立面像元的缺失无法得到解决，所以模型只能用于简单的量取一些地物信息，不能用于制作地形图。下一步将继续优化该地表三维实景模型，使矿区信息化模型层更直观、形象的表述出来。

参考文献

《无人机倾斜摄影测量三维建模及精度评定》 倪尔瑞 地理信息 2018.07