倾斜摄影测量技术在潼关水文站三维模型建设中的应用研究

袁秀忠+秦晓东+孔德志+孙莲莲

[摘 要] 随着无人机技术及计算机处理海量数据能力的不断提高，使得倾斜摄影技术在各行各业得到了广泛应用，本文结合利用无人机倾斜摄影技术的特点，论述建设潼关水文站实景三维模型的流程，并在模型上采集检查点坐标与实地测量成果进行精度对比分析。

[关键词] 倾斜摄影；三维模型；应用研究

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 21. 074

[中图分类号] P23 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）21- 0173- 03

0 引 言

倾斜摄影测量是近几年发展起来的新技术，其通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，从而获取地面物体更为完整准确的信息。该技术不仅大大减少了外业作业时间，提高了劳动效率，而且能够高精度地获取物方纹理信息，通过先进的定位、融合、建模等技术，自动化快速生成真实的三维场景。倾斜摄影测量关键技术主要由无人机技术、倾斜摄影测量系统及三维建模软硬件三部分组成。

1 潼关水文站建模流程

本次潼关水文站航拍区域包括水文站站院及测流断面上下游600米区域的整个河段，面积约1.4km。一个实景三维模型的建模流程一般由数据采集、数据整理检查、导入建模软件、空三加密测量、自动生成模型等几部分组成。为说明情况，以广州红鹏公司的六旋翼无人机、Smart3DCapture三维建模软件为例说明。

1.1 数据采集

本次作业采用旋翼式AC1100无人机搭载红鹏AP5100五镜头相机获取。结合测区地物情况，河道右岸（潼关水文站站院）飞行两个架次，航高120m，航向重叠75%，旁向重叠75%；河道左岸飞行两个架次、河道中间飞行六个架次，航高均为200m，航向重叠75%，旁向重叠75%。架次之间保证有重叠，避免出现摄影盲区。为保证模型精度，在摄区均匀布设21个像片控制点。为检验模型精度，在摄区随机布设15个检查点。控制点及检查点采用GPS RTK模式采集。平面坐标系统采用国家2000坐标系，中央经线为111E，高程采用1985年高程基准。

1.2 数据整理检查

飞行数据包括三部分：一是飞行时无人机自动记录的POS数据（pos.txt），POS数据包括摄影时各相片的坐标、航线角度等；二是无人机空中拍摄的原始影像数据，包含一组正射影像和四组倾斜角度采集的影像；三是航线轨迹图（.gdb文件）。

（1）根据POS数据，剔除无POS记录的影像数据。为了方便POS数据后期整理及其对应影像的有效性，无人机在进入摄区前，摄影平台采用定时曝光（每3.5秒自动拍摄一次），进入摄区则进行定点拍摄并记录POS值。同时，完成摄区拍摄任务后，整个拍摄系统将停止工作，进入待机状态，从而确保获取的影像与POS值有很好的匹配关系。整理影像数据时可以根据POS记录的条数及航线转角将影像数据与POS值一一对应，剔除无POS记录的影像数据。

（2）按照不同的相机重命名影像，一般命名规则为“相机号（英文字母）+数字”，正射影像按照A1001……，其余倾斜相机按照B1001、C1001、D1001、E1001……命名，重命名是为了后面像控点刺点找片提供方便。

（3）检验航线轨迹和控制点是否在所需拍摄范围内。

（4）挑选各控制点对应影像进行刺点，每个相机至少两张，这样就将外业采集的影像与相片控制点进行了初步关联。

1.3 数据导入

将影像数据、POS数据、像控点坐标及相机尺寸和焦距导入建模软件，为建模做好准备工作。

（1）如果没有POS数据，直接加载影像文件（Add photos）或文件夹（Add directory），导入全部照片，设置传感器大小（Sensor Size）和焦距（Focal leng）等参数。

（2）如果有整理好的POS数据，可以直接加载导入软件，在软件中可以查看到影像的空间效果，通过该示图基本判断飞行的质量。

1.4 空中三角加密测量

将导入的像控点与相片关联，并对每一副照片相片进行定位，这在航空摄影测量中称作空中三角加密测量，简称“空三加密”。这一步最为关键，也是在三维建模软件中需要人工干预的一步。通过这一步工作将每一张照片根据POS记录的坐标及像控点坐标进行精确定位。一般是每个控制点可以只选刺一组影像的两张照片，待第一次空三加密运算完毕后，再选取所有照片进行刺点，重新进行空三加密运算，直到合格为止。

1.5 自动生成数字模型

空三加密运算完成后可概略查看空三运算后的图形大致形状，如果没有大的差错，提交生成模型。Smart3DCapture可以提供集群式生成模型，参与计算的工作站越多，建模时间越快，大大节省了建模时间，这是Smart3DCapture的一大优势。Smart3DCapture不仅可以生成三维数字地表模型（DSM），也可以生成三维点云、正射影像等。模型格式有它自己附带的格式S3C，也可以生成其他格式如OSGB、OBJ等格式。

2 三维模型精度分析

根据GB/T 15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》要求进行精度分析。首先在三维数字地表模型采集检查点的平面及高程，然后与实地采集检查点的平面坐标与高程进行比较，计算平面误差Δs及高程误差Δh。根據各检查点模型采集与实地测量的平面及高程误差计算各检查点的平面中误差Ms为0.048m及高程中误差Mh为0.104m。

根据GB/T 15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》要求，1∶500数字化测图地物点点位中误差不大于0.3m（图上0.6mm）；高程中误差参照规范规定的0.5m等高距平地注记点要求，注记点高程中误差要求不大于0.2m。从模型对比结果可以看出，潼关模型检查点平面中误差及高程中误差均小于规范规定。endprint

通过误差分析，利用倾斜摄影测量技术建设的三维模型，在做好像控点的情况下，模型精度可以达到规范规定的数字化测图精度要求。

影像模型精度的因素很多，如空中飞行姿态改正、相机像素及飞行高度等。本次因飞行区域无高大建筑，水文站房区域航高为120m，河道及右岸航高为200m，模型检测精度按照1∶500测图要求进行，但考虑到利用模型生产数字线划图会有精度损失，在实际进行数字化成图时比例尺应按1∶1000为宜。如果生产1∶500数字线划图，在相机像素不变的情况下，飞行高度应低于120m。

3 倾斜摄影测量技术优势

（1）倾斜摄影测量模型建设实现了室内自动化作业，不仅减轻了测绘人员的外业工作量，同时也简化了航测内业作业程序，模型建设完成后，内业人员可以在三维模型直接采集地形地物要素，根据需要进一步获取多元化的测绘成果，如DEM、DOM、DLG等，大大提高了劳动效率。

（2）通过配套软件的应用，可直接基于三维模型进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，为水利工程规划设计及概预算提供了便利。

（3）倾斜摄影测量建立的三维模型能让用户从多个角度观察地物，实现了所见即所得，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像应用的不足，在应急防汛及监测时利于领导层做出正确的决策。

4 结 语

倾斜摄影技术的诞生彻底颠覆了传统测繪的作业模式，不仅使获取信息数据采集的作业手段简便易行，而且生成数字地表模型（DSM）得以快速实现。目前倾斜摄影测量技术还处于初级阶段，随着该项技术的不断成熟，今后围绕该项技术生产的实景三维模型的应用将成为主流，研究倾斜摄影在水利行业的应用将具有重要意义。

主要参考文献

[1]田野， 向宇， 高峰，等. 利用Pictometry倾斜摄影技术进行全自动快速三维实景城市生产——以常州市三维实景城市生产为例[J]. 测绘通报， 2013（2）：59-62.

[2]李莹， 林宗坚， 苏国中. 多视影像的城市实景三维生产关键技术[J]. 遥感信息，2017，32（1）：35-39.

[3]李镇洲， 张学之. 基于倾斜摄影测量技术快速建立城市3维模型研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2012， 35（4）：117-119.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 15967-2008 《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量数字化测图规范》[S]. 北京：中国标准出版社，2008.endprint