摘要：倾斜摄影测量技术作为一个新兴的技术方法在工程测量中有广泛的前景。本文对倾斜摄影在大比例尺地籍测量中的应用进行了研究。
关键词：传统正射影像；倾斜摄影测量；大比例尺
引言
倾斜摄影测量技术作为一个新兴的技术方法，不再局限于传统正射影像的只能从垂直角度拍摄的方式，它通过将多台传感器放置在同一飞行平台上，再同时从垂直、前视、后视、左视、右视等多个不相同的角度采集影像，极大的补充了传统摄影影像应用的不足，因此，应加大对倾斜摄影技术的研究。
1.倾斜摄影相关原理
倾斜摄影不同于传统的航空摄影，其在传统航空摄影的基础上增加了侧面及其他角度的纹理信息，如图1所示为航拍时曝光点在空中获取的一组影像。由于倾斜摄影采用多角度数据采集的方式，造成影像数量及数据量的增大，这对于后期的影像匹配、区域网的空三平差算法有着更高的要求。
图1曝光点影像
1.1空中三角测量
倾斜摄影的空中三角测量为多视角区域网光束法平差，其以中心投影的共线方程作为数学模型，以恢复影像之间的内在几何关系为目的，求解影像的位置与姿态的同时获得加密点的坐标。其数学模型如下所示：
其中，（x，y）表示像平面直角坐标系下的像点坐标；（X0，Y0，Z0）表示摄影中心的空间坐标，f为相机焦距；（X，Y，Z）为空间三维点坐标；（ak，bk，ck）（k=1，2，3）表示由像片的角元素φ、ω、κ构成的方向余弦。
对于倾斜摄影中的下视影像，其公式（1）中的φ、ω、κ角元素等于下视影像所对应初始外方位元素中的角元素；对于倾斜摄影中的侧视角度影像，公式（1）中的角元素等于侧视影像所对应初始外方位元素中的角元素；同样对于（X0，Y0，Z0）也是如此。利用影像间的初始姿态前方交会计算出空间三维点的初始值，通过数学模型公式（1）建立误差方程、法方程计算影像姿态参数的改正数和加密点三维坐标的改正数。
1.2多视角密集匹配
根据多视角倾斜影像数据及平差纠正后精确的内、外方位元素进行密集匹配。目前，主要通过CMVS、PMVS实现多视角影像的密集匹配，首先在影像密集匹配前，通过CMVS对影像聚类分类来减少数据量，然后在聚类分类后的影像上提取DoG与Harris特征点，采用相关系数匹配算法如公式（2）所示获得同名特征点并生产点云模型，以匹配的系数同名点作为样本点定义为种子面片，然后向周围扩散获得稠密的面片，最后对稠密的面片约束、剔除等得到密集的同名点对。
式中，m、n为搜索窗口大小，一般m=n；gi，j为m×n目标窗口中像素灰度值大小；g，i+r，j+c表示为搜索窗口中的像素灰度值；g－表示为目标窗口中像素灰度均值；g－、r、c为搜索窗口中像素灰度均值。
2.倾斜摄影像控点布设
像控点布设是传统航测内业空三加密的前提、测图精度的基础，同时，对于倾斜摄影在大比例尺地籍测量中的应用也起着至关重要的作用。传统航测的布控方式一般以基线布设为准则，根据不同的内业成图精度，布设不同基线间隔的像控点。本文在传统像控点布设的基础上，设计4种区域网像控布设方案分别如图2所示。
其中，图2（a）以十字形布控为准则，在实际测区范围内按十字形等间距布设像控点；图2（b）以边缘加密布控为准则，在测区边缘加密布控，测区范围内不布设或少量布控；图2（c）以边缘加密布设、内部均匀布设为准则，在测区边缘按照加密布控，测区范围内按边缘布控1.5倍距离均匀布控；图2（d）以传统基线布设为准则，在测区范围内按基线间隔布设。
图2像控点布设方案
3.实验对比与分析
为了研究探索出一条满足1∶500大比例尺测绘精度要求的技术路线，本文以上文中的4种像控布设方案作为准则，以相同分辨率的倾斜影像作为前提，分别在空三精度、测图精度两个关键环节进行分析对比。
3.1数据获取
本文以某村作为实验测区，该测区范围0.22km2，为平原丘陵地带，地形高差起伏大。通过六旋翼无人搭载5镜头倾斜相机，相关参数见表1，以相对航高110m采集测区范围内纹理影像，其影像分辨率优于2cm。
表1数据采集相关参数
按照上文所述的4种像控点布设方案分别进行采集测量，其中，十字形布设方案在测区范围内以150m左右均匀布设；边缘加密布设方案在测区边缘以120m左右加密布设，测区内部不布设；边缘加密布设、内部均匀布设在测区边缘以150m左右加密布设，测区内部以180—200m左右均匀布设；传统基线布设在测区范围内航向以8—10基线间隔、旁向以2基线间隔布设像控点[1]。
3.2空三精度分析
在外业像控测量、影像纹理数据采集完成后，通过影像匀色、畸变矫正等预处理、自动空三自由网平差计算、人工刺点干预等处理，恢复测区范围内影像之间的内在几何关系。在外业像控点采集的同时，在测区范围内均匀地采集65个检查点，对4种像控布设方案的空三加密精度进行检核分析，其中，测区范围内的检查点分布如图3所示。
图3检查点分布示意图
分别利用4种像控布设方案对实验测区范围内的影像进行空三加密，用检查点对加密点进行精度检核，对4种布设方案的中误差进行统计分析，其结果见表2。在表2中可看出方案（d）传统按基线布设的空三精度最佳；方案（a）十字形布设，方案（c）边缘加密、内部均匀布设次之；而方案（b）其空三精度结果最次；由于方案（d）的空三精度已超过5cm，则模型的点位精度远满足不了大比例的测图精度[2]。
表2 4种像控布设方案误差统计分析
3.3测图精度分析
对上述3种布设方案的倾斜三维模型进行内业矢量成图，外业测量79个房屋角点作为检查点对测图精度检核分析，分别对3种布设方案的成图精度进行误差分析，点位误差统计如图4所示。其中，在方案（a）的测图精度检核中如图4（a）所示，粗差点较大、其最大可达0.3m，且误差分布不均匀，可看出测图精度的稳定性较差；在方案（c）与方案（d）的测图精度检核中如图4（b）与（c）所示，粗差点少、稳定性高、误差分布均匀，由此可看出方案（c）与方案（d）的测图精度远高于方案（a）。
图4检查点精度检核
对3种布设方案的点位误差按照中误差公式计算测图中误差，计算结果见表3。在表3可看出方案（a）十字布设的测图中误差远超过大比例尺测图规范，而方案（c）边缘加密、内部均匀布设与方案（d）传统按基线布设能够满足测图规范要求[3]。
表3测图精度统计分析
虽然方案（c）与方案（d）的布设方式都能满足最终的测图精度，但是由于无人机影像像幅小、数目多等原因，方案（d）的布设会加大外业工作量。因此，在满足测图精度的前提下，方案（c）的布设方式为最优选择。
4.结束语
综上所述，倾斜摄影是近年来兴起的航空摄影新技术，是对传统正射摄影的革命性突破，本文通过研究倾斜摄影中空中三角测量、多视角密集匹配、自动纹理映射等相关原理，分析不同像控布控方式在作业效率、精度结果方面的影响，研究探索出了一条符合1∶500大比例尺测绘精度要求的技术路线。
参考文献：
[1]面向应用的倾斜摄影实景三维数据软件开发技术研究[J].马瞳宇，康光清，崔静，李德江，曲林.测绘与空间地理信息.2017（06）
[2]倾斜摄影测量技术应用及展望[J].杨国东，王民水.测绘与空间地理信息.2016（01）
[3]倾斜摄影三维模型与大场景地形的融合算法[J].耿中元，任娜，李英成，肖金城.测绘科学.2016（11）
论文作者:江伟坚
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：精度论文; 方案论文; 影像论文; 范围内论文; 基线论文; 误差论文; 测量论文; 《基层建设》2018年第26期论文;