傾斜攝影測量技術(shù)是在飛行載具上搭載多角度、多拼相機,對地面全要素信息進(jìn)行數據采集、三維建模及輸出真正射影像、大比例尺地形圖等產(chǎn)品的綜合技術(shù)手段。作為新型測繪手段,傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)在城市管理、國土規劃、土地確權、宅基地管理等領(lǐng)域得到廣泛應用。隨著(zhù)技術(shù)不斷進(jìn)步,飛行載具與傾斜航攝儀也向著(zhù)輕型、微型化發(fā)展,不但使實(shí)景三維模型適用的領(lǐng)域更為廣泛,也更能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對實(shí)景三維模型的高分辨率、高顏色還原度等要求。本文對傾斜攝影數據獲取及處理的分類(lèi)方法進(jìn)行探討,為各行業(yè)應用提供技術(shù)支持。
1 傾斜攝影測量技術(shù)構成
傾斜攝影技術(shù)發(fā)展至今,核心三部分是:飛行載具、傾斜相機、POS 系統。飛行載具可攜帶傾斜航攝儀進(jìn)行航拍作業(yè),沿航線(xiàn)、重疊率設計飛行路線(xiàn);傾斜相機可分為三拼、五拼、十拼等,采用同步曝光方式采集地面影像信息;POS 系統在航攝儀內與每組曝光影像相對應,采用X、Y、Z、O、P、K等外方位元素信息對拍攝時(shí)的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)描述。無(wú)論是實(shí)景三維建模還是大比例尺測圖應用,傾斜影像的后期處理質(zhì)量取決于POS 系統的精度。根據項目的設計需求,對不同飛行載具、傾斜相機以及POS 系統進(jìn)行搭配,形成有針對性的數據獲取解決方案很有必要。
2 傾斜攝影測量解決方案細分
隨著(zhù)飛行儀器與材料行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,以運輸機搭載大型航攝儀為主的數據獲取方式逐漸被打破。尤其在許多中小型項目實(shí)施中,大型運輸機的限制太多,不利于成本控制??沼蛞幎ǖ姆艑?、中低空輕型飛行器價(jià)格下降均為傾斜攝影提供更多可能。引入模糊控制和大容量電池技術(shù)后,無(wú)人機的飛行穩定性更高、續航時(shí)間更長(cháng),成為超低空精細化建模的最優(yōu)選擇。表1 從飛行高度、建模特點(diǎn)及精度等多個(gè)方面對傾斜攝影測量的解決方案進(jìn)行細分。飛行載具與傾斜相機如圖1 所示。
圖1 典型飛行載具與傾斜相機
2.1 高空飛行載具與相機
運-12 等大型運輸機適用于600 m 以上高度層的航空攝影飛行任務(wù),可攜帶60 kg 以上的大型傾斜航攝儀拍攝作業(yè),如徠卡RCD30、TOPDC、SWDC -5 等。運輸機飛行姿態(tài)穩定,飛行時(shí)間長(cháng)(7 h以上),在100 km2 以上的大面積航空作業(yè)中具有顯著(zhù)優(yōu)勢。高空數據獲取的優(yōu)點(diǎn)是:傾斜航攝儀的POS 信息精確,對控制點(diǎn)需求少,經(jīng)過(guò)空三匹配后能構建滿(mǎn)足測繪級精度的實(shí)景三維模型,且單位面積的模型容量小,應用方便。高空數據獲取的缺點(diǎn)是:對天氣要求高,機場(chǎng)與飛行員拉升作業(yè)成本;由于飛行高度原因,拍攝需穿越霧霾層,導致影像顏色失真、單位面積的模型分辨率低。因此,高空飛行方案適用于數字城市、智慧城市建設中的市域建成區三維本底數據獲取。
表1 傾斜攝影測量解決方案細分
2.2 中空飛行載具與相機
出于對模型顏色、分辨率和飛行成本的考慮,采用輕型飛行器的中空飛行方案應運而生。飛行載具采用直升機、動(dòng)力三角翼等,在300 ~600 m 中空作業(yè)。所攜帶傾斜相機由去掉背板的多臺單反相機組成,設置有固定傾角云臺與同步曝光系統,單日作業(yè)15 ~30 km2。中空數據獲取優(yōu)點(diǎn):場(chǎng)地限制條件少,起降方便,轉場(chǎng)快捷,作業(yè)高度對軍民空域影響小。所構建模型顏色真實(shí),分辨率較高。中空數據獲取缺點(diǎn):動(dòng)力三角翼飛行受氣流影響大、姿態(tài)不穩定,所攜帶的傾斜相機尚無(wú)精確的POS 解決方案,無(wú)POS 影像處理會(huì )降低實(shí)景三維模型精度。因此,中空方案適用于二、三級城市,以及山區、景區等低于70km2 的三維本底數據獲取。
2.3 低空飛行載具與相機
為進(jìn)一步提高分辨率、顏色信息及降低飛行成本,已研制出無(wú)人機掛載微型傾斜相機的數據獲取方案。由于無(wú)人機滯空時(shí)間短、載重有限,因此傾斜相機多采用鏡頭式相機嵌入鈦金云臺制成,在300 m 以下的低空作業(yè),多應用于5 ~10 km2的廠(chǎng)區、高校、景點(diǎn)、建筑群的精細化建模。低空數據獲取優(yōu)點(diǎn):起降方便、人員少、成本低;飛行姿態(tài)穩定,POS 數據較準確;構建模型顏色逼真,分辨率高,數據精度較好。低空數據獲取缺點(diǎn):作業(yè)效率低,平均每天0.5 ~1 km2,導致大區域建模時(shí)的顏色連續性差。
3 傾斜攝影數據處理方案
3.1 攜帶高精度POS信息的數據處理
在市面較常見(jiàn)的傾斜航攝解決方案中,傾斜航攝儀與無(wú)人機攜帶的微型航攝系統均具有較高精度的POS 數據,有利于精確還原空三網(wǎng),在無(wú)控情況下亦可保證較高的相對精度。該數據適合用街景工廠(chǎng)進(jìn)行處理,街景工廠(chǎng)的處理原則是滿(mǎn)足空三網(wǎng)精度要求后方可進(jìn)行建模工作,意味著(zhù)建模前即對模型精度有很好的控制。而Smart3D 軟件以開(kāi)源sift 算法為建模核心的全程無(wú)干預處理,在POS 信息薄弱的部分,自動(dòng)以影像拼接為建模與貼圖方案。雖然會(huì )取得較好的視覺(jué)效果,但會(huì )降低模型精度。因此,在POS 數據較好的情況下,應以測繪級精度作為三維數據處理目標。
3.2 攜帶弱/無(wú)POS 信息的數據處理
對于動(dòng)力三角翼等受氣流影響較大的飛行載具,所獲取的傾斜影像存在旋偏角大于6°,無(wú)準確POS 數據的情況。街景工廠(chǎng)不支持弱/無(wú)POS 傾斜數據的直接導入,需要在無(wú)人機模塊(EOless)中粗略恢復初始POS 信息,方可進(jìn)行空三匹配與建模,但效果不甚理想,效率也較低。Smart 3D 軟件可直接處理無(wú)POS 傾斜影像數據,僅需添加若干控制點(diǎn)進(jìn)行絕對定位即可,雖然無(wú)法保障實(shí)景三維精度,但可快速建模,為警務(wù)、城管等弱精度應用提供快速解決方案。
4 結束語(yǔ)
傾斜攝影測量的多種解決方案各有優(yōu)缺點(diǎn),應用前要充分考慮到項目工期、成本及成果精度優(yōu)先還是效果優(yōu)先等要求,適配最優(yōu)解決方案。一些應用細節要充分考慮,例如,相機分辨率不能完全代表成像質(zhì)量,POS 系統在多次使用后需要重新校正等。因此,在確定方案后,還應獲取小塊示范影像數據進(jìn)行成像質(zhì)量、模型制作評估,綜合考慮后進(jìn)行項目實(shí)施。
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