倾斜摄影测量教学模拟系统设计与应用

李培荣，王春祥,熊 强,史永宏，胡倩伟

(1.山西交通职业技术学院，山西 太原 030000；2.河南测绘职业学院，河南 郑州 450000;3.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454001；4.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100070)

引用著录：李培荣，王春祥,熊强，等.倾斜摄影测量教学模拟系统设计与应用[J].测绘工程，2017，26(12)：76-80.

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.12.015

倾斜摄影测量教学模拟系统设计与应用

李培荣1，王春祥2,熊 强3,4,史永宏1，胡倩伟4

(1.山西交通职业技术学院，山西 太原 030000；2.河南测绘职业学院，河南 郑州 450000;3.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454001；4.北京四维远见信息技术有限公司，北京 100070)

基于航空倾斜摄影测量的生产流程，提出一种倾斜摄影测量教学模拟系统，并介绍该系统的设计与应用，该系统可实现从数据获取、控制测量、空中三角测量、三维建模到“4D”产品生成的全过程模拟。系统可降低室外航空倾斜摄影测量实习的成本与风险，可进行反复操作，提高学生对摄影测量的理论认知和分析解决问题的能力。

倾斜摄影测量;教学模拟系统;控制测量;空中三角测量;三维模型

目前，国内许多院校都开设了摄影测量学课程，在课程实习过程中，由于教学实践场地有限和野外航飞成本高，学生一般无法直接操控仪器获取数据，基本上是利用VirtuoZo和JX4等软件进行一些航空摄影测量数据后处理，实现一些相对简单的功能模块的使用，导致学生缺乏实践操作，对航测作业的数据获取和数据处理难以形成一个整体认识，不利于学生将摄影测量的理论和实践相结合[1-3]。

传统航空摄影测量的相机主光轴垂直于地面，拍摄的是地面实际物体的正射影像，只能获取地物顶部信息，无法获取地物的侧面纹理信息和三维几何结构信息；倾斜摄影测量通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等多个角度拍摄影像，能够获取地物的顶部和侧面信息，更加真实反映地物的实际情况，弥补正射影像的不足[4-5]；通过配套软件处理倾斜影像，可以量测地物的高度、长度、角度、坡度等属性；倾斜摄影测量还可以采用先进的导航定位技术提供精确的地理信息，使用户获取更逼真、高级的体验，极大的扩展摄影测量技术的应用领域。

鉴于倾斜摄影测量的诸多优势，为了让学生深入理解倾斜摄影测量的原理和生产流程，许多高校相继开展倾斜摄影测量教学实验课程。考虑到航空摄影测量拍摄影像单一和高成本的不足，中国测绘科学研究院下属的北京四维远见公司联合国内部分高校，结合实际生产流程，研发一套倾斜摄影测量模拟实验系统[6]，可以模拟倾斜摄影测量的全部生产流程，通过配套软件可以生成沙盘的三维模型，得到的成果精度可以满足摄影测量规范要求，而且在沙盘模型中可以进行控制测量、地籍测量和地形图绘制等实习，通过不断完善，该系统具有多功能、多应用领域的特性[7-10]。

1 倾斜摄影测量模拟系统的设计

该系统主要由空中轨道、沙盘、摄影装置、投影装置和控制系统构成。在轨道上安装五镜头倾斜相机，通过控制系统控制相机和轨道运动并同步拍摄不同姿态的沙盘影像，由投影仪实时显示影像，并通过控制系统调整相机感光度、曝光时间和影像的重叠度等。

1.1 空中轨道设计

该系统的轨道悬置于室内，包括3个直线导轨，呈“工”字形排列(见图1)，直线导轨a和b相互平行，直线导轨c与两平行导轨a、b垂直相交并形成一坐标平面；相机通过步进电机在直线导轨c运动并拍摄影像，形成一条航带，直线导轨c通过步进电机在两平行导轨上移动，形成不同航带。该“工”字形轨道实现了航空摄影测量飞行航线的模拟，使该模拟系统具有可行性。

图1 直线轨道设计

1.2 沙盘设计

沙盘是该实验系统中非常重要的组成部分，其特征主要有两个：

1)模拟真实的地形地貌应用于模拟航空摄影，该沙盘必须具有丰富的地形地貌，同时满足人工踩踏不变形等特点。

2)在沙盘上布设反射贴片作为控制点，在沙盘四周摆设全站仪，通过测量沙盘上的反射贴片的坐标进行控制测量、地形测量等相关实习。图2为实验室整体效果图。

图2 倾斜摄影测量模拟实验室整体效果图

1.3 摄影装置及投影装置设计

本系统在直线轨道c上搭载5镜头相机，中间相机镜头垂直拍摄影像，周围4个相机分别以一定的前倾、后倾、左倾和右倾角度拍摄影像，通过步进电机控制相机在轨道c上移动；本系统配置一台民基投影仪，具有短焦投影的特征，用于实时显示影像并检查影像质量，及时调整相机姿态和影像的重叠度。

1.4 控制系统

该系统的控制系统主要由计算机、单片机、步进电机、曝光器组成。通过计算机控制单片机，由单片机驱动步进电机并使相机同步曝光，由步进电机控制轨道和相机运动。

2 数据获取和处理

该系统通过五镜头相机在空中轨道上横向与纵向运动并同步曝光来获取原始影像，将原始影像初期处理后在Smart3D中进行空三加密，然后进行三维建模，可以输出的产品有点云模型、地形白膜、正射影像(DOM)和数字线划图(DLG)，流程图见图3。

图3 数据采集处理流程

2.1 航空影像获取

在拍摄影像之前，需要进行检校相机、设计航线和布设控制点。本系统采用的是非量测型数码相机，在使用前需要进行相机检校得到相机的畸变参数，用于影像的畸变差纠正；航线设计应根据沙盘大小与相对行高来设置航向与旁向重叠度，一般航向重叠60%、旁向重叠35%，或者航向重叠80%、旁向重叠60%；控制点布设一般是在沙盘上布设反射贴片，用全站仪或者测量机器人测量控制点坐标。

本文采用国内某高校沙盘模型，沙盘尺寸为7 m×5 m，比例尺为1∶260。用五镜头倾斜相机拍摄该沙盘的航空影像，其中航向重叠80%，旁向重叠60%，相对行高3 m，相机感光度320，分辨率5 472×3 648。

2.2 影像初期处理

该系统是室内模拟航空倾斜摄影测量，数据获取过程不受天气因素影响，影像无遮挡、漏洞，色彩和亮度基本一致，无需进行影像的匀色匀光处理，影像初期处理主要将原始影像进行质量检查与整理和畸变差纠正。

2.3 空三加密

Smart3D是一个集合了全球最高端数字影像、计算机虚拟现实以及计算机几何图形算法的全自动高清三维建模软件，它具有易用性、运算性能高、友好的人机交互界面和硬件兼容性好等特点[11-12]。将初期处理后的影像导入Smart3D中，该软件可以进行自动空三加密，采用光束法区域网平差自动计算提取影像的特征点，对提取的特征点采用多视角匹配同名点，之后反向计算出每张影像的外方位元素即位置和姿态角信息，进而确定影像间的相对位置关系[13-15]。在Smart3D中的3D view中可以看到每张影像的相对位置、所有航带的分布状况、每张影像覆盖的地面范围和空三点的密度等信息。

2.4 三维建模

Smart3D可以快速进行倾斜摄影测量三维建模，生成沙盘的三维模型。空三加密后就可以进行三维建模，通过空三加密点计算出沙盘不规则三角网TIN和地形白膜，依据地形白膜的位置形状选取最适合的影像进行纹理贴图，最后生成沙盘的实景三维模型[16]。可输出的三维模型格式主要有*s3c、*osgb、*obj和*dae，如果需要将模型进行修改加工，可将*obj格式的三维模型导入第三方软件(如3D MAX)中进行修改，将修改后的模型重新导入Smart3D中进行整合后可以生成一个完整的三维模型(见图4)。

图4 沙盘三维模型

2.5 成果输出

由Smart3D生成的沙盘三维模型可以得到沙盘的点云模型(见图5)和地形白膜(见图6)；选择模型重建可以生成每张影像的正摄影像图，将所有的正摄影像导入ArcGIS中进行拼接得到整个沙盘的正摄影像图(图7为部分区域DOM)；利用空三成果在数字摄影测量工作站中建立各个立体模型，采用矢量化跟踪可以得到模型的数字线划图(DLG)，在CASS中对DLG进行标记、整饰成图[17](图8为部分区域DLG)。

图5 点云模型

图6 地形白膜

图7 部分区域DOM

图8 部分区域DLG

3 结束语

倾斜摄影测量是在摄影测量基础上发展起来的，基本原理与摄影测量相同，在教学实践过程中，学生需要有扎实的摄影测量学理论基础，通过模拟倾斜摄影测量完成从理论学习到实践应用的过程。本文的倾斜摄影测量模拟教学系统是中国测绘科学研究院下属北京四维远见公司联合国内多所高校共同研发设计的，包括空中轨道、沙盘、摄影装置和控制装置的设计，通过模拟室外航空倾斜摄影测量，改变传统摄影测量教学实验模式，基于沙盘实现三维模型可视化建设和“4D”产品生产。本系统具有以下优势：

1)相对于航空摄影测量，该系统具有低成本、低风险和不受时间空间限制的特点；

2)构建真实的实践教学平台，实现倾斜摄影测量全流程的真实模拟；

3)解决长期以来测量实验功能单一、实验项目之间衔接不畅的问题；

4)解决测绘实践培养落后于测绘技术发展的问题。该系统将计算机技术和传感器技术融入到测绘科学技术中，极大地促进了摄影测量学的发展，随着该模拟系统功能的不断完善，将相继开展模拟航空LiDAR、室内导航定位等新的教学实践内容，提供易学、实用的测绘模拟教学系统，促进测绘学科教学改革，为培养测绘高端人才打下基础。

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[责任编辑：王文福]

Designandapplicationofobliquephotogrammetryteachingsimulationsystem

LI Peirong1,WANG Chunxiang2,XIONG Qiang3,4,SHI Yonghong1,HU Qianwei4

(1.Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Taiyuan 030000,China;2. Henan College of Surveying and Mapping,Zhengzhou 450000,China ;3.College of Surveying and Mapping and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454001,China;4.Beijing Geo-Vision Tech.Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)

The paper puts forward a oblique photogrammetry teaching simulation system based on the production process of oblipuephotogrammetry,and describeds the design and application of this system and realized the full-course simulation from data acquirement, control point surveying, aerotriangulation, 3D modeling and 4D data production, which can reduce the cost and risk of oblique photogrammetry in outdoor and improve the students’ theoretical knowledge and ability of analying and solving problems in oblique photogrammetry.

oblique photogrammetry;teching simulation system;control surveying;aerotriangulation;3D modeling

P23

A

1006-7949(2017)12-0076-05

2017-08-31

山西省交通运输厅课题(2017-1-33)

李培荣(1973-)，女，副教授.