機載傾斜攝影數據的三維測量技術分析

發布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：17926

　　近年來，國際地理信息領域將傳統航空攝影技術和數字地面采集技術結合起來，發展了一種稱為機載多角度傾斜攝影的高新技術，簡稱傾斜攝影技術。傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，同時從多個角度采集地面影像，從而克服了傳統航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限性，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足，通過整合POS、DSM 及矢量等數據，進行基于影像的各種三維測量。基于人眼視覺適合于觀察傾斜透視像片的特點，傾斜影像測量技術更適合于網絡環境應用。針對傾斜攝影數據的特點，人們進行了多方面的研究探討。該技術可廣泛應用于測繪、國土安全、城市管理等領域。

　　1、機載多角度傾斜攝影簡述

　　機載多角度傾斜攝影測量系統是新一代攝影測量系統。其主要內容包括傾斜攝影數據獲取技術和相應的數據處理技術。該系統數據獲取部分一般由5個數碼相機組成，包括１個垂直攝影相機和４個傾斜攝影相機，系統還可將攝影相機與機載GPS接收機、高精度IMU 進行高度集成。攝影相機用來提供影像信息，而GPS、IMU 則分別提供位置和狀態信息。通過在系統中集成定位定姿設備或進行空中三角測量處理可為每張拍攝的影像提供位置姿態信息用于后續的數據處理。傾斜攝影測量系統是數字制圖方面的一個重要突破，它使得“非現場”測量和分析不僅可在模型上進行，而且也可在傾斜航片上進行。通過攝影測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所謂的“場景文件”中，而“場景文件”則提供了對任一地塊、建筑物、構筑物及特征物的多維度、多視向的觀察。國外在上世紀90年代就開始了對傾斜攝影測量系統的研究，目前該技術正成為研究的熱點和市場的應用方向。美國Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影技術的公司。目前Pictometry公司的傾斜攝影系統已在北美、歐洲得到廣泛的應用，該類系統所具有的特點對人們使用地理空間信息的方式產生著很大的影響。它在美國的早期成功是用于突發事件方面的應用，而真正的發展始自于與微軟的合作，并被集成進微軟公司開發的Bing Maps之中。Google Earth也可能集成大角度的傾斜影像。經過地理參考定位的傾斜影像拓展了傳統垂直影像的特性，提供了獨特的透視觀測方式，基于影像的三維測量系統具有如下的作用：①直接觀測到建筑物的立面，垂直影像上是很困難或不可能的；②能夠在影像上直接測量物體的高度、長度、面積等；③改善了對電桿、燈桿等物體的識別，而要在正射影像上進行這些識別是很困難的；④改善了非地圖專業人員對地理信息的“可讀性”；⑤擴展了以傾斜影像的３Ｄ觀測ＧＩＳ數據的方式。

　　2、基于傾斜攝影數據的三維測量技術

　　傾斜攝影測量系統三維建模的主要目標是，基于多角度傾斜相機攝影數據獲取系統飛行拍攝的影像、拍攝時同步記錄的POS數據、該區域DSM 數據、矢量圖形數據等資料，進行必要的加工處理，建立基于機載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統。其主要內容如下。

　　（1）利用POS進行傾斜攝影高精度空中三角測量利用航拍時同步記錄的POS數據，研制開發高精度光束法區域網平差程序模塊，計算每幅影像的內外方位元素及檢校參數等，計算立體測圖所需的定向點、連接點等。

　　（2）影像數據及輔助數據管理與檢索針對傾斜攝影系統拍攝的大量影像及位置姿態數據等，建立數據管理與檢索模塊。為后續處理提供該類數據的訪問接口。

　　（3）DSM 數據管理與檢索

　　針對攝影區域內的大量DSM 數據，建立數據管理與檢索模塊。為后續處理提供該類數據的訪問接口。

　　（4）矢量數據管理與檢索

　　針對攝影區域內的矢量圖形數據，建立必要的數據管理與檢索模塊。為后續處理提供該類數據的訪問接口。

　　（5）影像與DSM 融合

　　在上述處理模塊的基礎上，研制開發傾斜攝影影像與DSM 數據的融合方法，生成高密度彩色點云或三維彩色影像，實現點云彩色化或圖像三維化。

　　（6）影像與矢量數據融合

　　研制開發傾斜攝影影像與矢量圖形數據的融合方法，實現影像與矢量圖形數據的疊置整合。

　　（7）基于影像的三維測量與建模

　　在上述處理模塊的基礎上，實現基于傾斜攝影影像的顯示及交互三維量測，包括（相對）位置、高度、長度、距離和面積等。實現基于傾斜影像的三維建模功能。

　　（8）基于WEB的查詢應用

　　在上述模塊加工處理數據的基礎上，開發基于WEB的查詢瀏覽軟件，實現基于互聯網的影像三維測量功能。

　　2.1三維建模技術

　　在利用傾斜攝影影像數據、POS數據、DSM 數據及矢量圖形數據的基礎上，采用如下的技術路線：通過研制開發基于POS的傾斜攝影空中三角測量技術，進一步提高位置姿態的測量精度，得到每幅影像的方位數據；擬采用快速索引技術實現對多源空間數據的管理與檢索，開發統一的數據訪問接口；采用DSM 數據作為多源數據配準的幾何基準；利用空間同步原理實現影像數據與DSM數據及矢量圖形數據的配準融合；研究基于影像信息支持的內插法進行影像三維化；擬根據攝影測量幾何約束研究開發三維建模紋理自動（或半自動）映射方法。

　　2.2單斜片測量技術

　　單斜片測量是在一些基本的測量數據產品的基礎上，能夠對單張斜片進行某些參數的應用測量，主要包括地物的高度、長度、距離及面積的測量等。

　　（1）單斜片測量需要的基礎數據資料包括5頭相機傾斜攝影影像資料，POS數據或空三加密成果（主要是斜片的內外方位元素），包含斜片地面覆蓋范圍的測區DEM、DOM 數據等。

　　（2）單斜片測量的思路

　　在POS數據或空三加密成果及測區的DEM、DOM 數據的基礎上，建立待測量斜片與DOM數據之間的關系，得到一定意義上的傾斜糾正影像，再對傾斜糾正斜片進行一些相對參數的測量。

　　3、實驗結果與分析

　　基于上述思想，初步開發了一個利用傾斜影像數據進行三維建模與單斜片測量的軟件系統。開發環境采用的操作系統為XP／W7，開發語言為VC＋＋6．0／VC＋＋2010。下面對軟件系統的基本功能及實驗情況做一下簡單介紹。

　　3.1加載DOM、DEM 影像由于要實現對傾斜影像的檢索和量測，首先需要加載該區域的DOM影像，在菜單欄文件目錄下，打開需要加載的該區域的DOM 影像，同時DEM影像也會自動加載。

　　3.2計算斜片覆蓋范圍

　　計算斜片覆蓋范圍所需資料包括對應的POS數據、內方位數據、相機大小數據和測區地面的平均高程數據。在菜單欄目錄下預處理→斜片覆蓋范圍，打開POS或像片外方位元素數據文件對話框，加載外方位元素數據，即可計算像片的覆蓋范圍，提示程序正常運行，此時在每個相機文件夾下會自動生成計算出的像片覆蓋范圍結果文件Photos.cov和Photos.ctp。只有在新加載一個工程時，才需要計算像片的覆蓋范圍，之后如果重新需要加載該工程，則不需要首先計算像片的覆蓋范圍，直接進入下一步即可。

　　3.3檢索斜片

　　加載了DOM 影像之后，就可以在DOM 影像上任何區域檢索出該區域所有匹配的影像，分為兩部分檢索斜片和檢索列表。單擊該區域即可檢索出該區域對應的像片個數。

　　3.4斜片測量

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

　　一種方法是根據DEM 確定動態比例尺，計算長度和面積。測量目錄下有斜片長度和斜片面積兩個命令，可測量任意長度和面積。

　　結束語:

　　機載多角度傾斜攝影測量系統是對單角度攝影測量系統的改進和發展，通過在一個飛行平臺上搭載多個攝影角度的傳感器或數碼相機，不僅能夠實現常規的地表三維測量，而且由于其能夠同時獲取更多的地表覆蓋數據，因而能夠大大提高地表三維測量的可靠性和測量精度；還能夠在完成地表三維幾何測量的同時，獲取大量的常規攝影無法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息，其在數字城市構建中具有重要的意義。

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