基于Context Capture 软件倾斜摄影空中三角测量优化研究

倪雅欣

（宁夏坤博测绘地理信息技术有限公司，宁夏 银川 750000）

近年来，倾斜摄影测量技术取得了长足的发展，利用倾斜摄影低空飞行、获取多角度全方位的影像，利用专业的数据处理软件，就可以得到符合现状的、具有可量测性的实景三维模型成果，用途越来越广泛[1-3]。随着无人机倾斜摄影技术的发展，倾斜摄影建模软件应运而生，然而由于倾斜摄影畸变大、分辨率不一致等问题，使得倾斜摄影数据解算具有了一定的困难[4]。从目前来看，虽然倾斜摄影建模软件较多，但是对于空三解算来说，失败率任然居高不下[5]。针对空三解算失败率高的问题，本文在分析了倾斜摄影相关知识后，提出了相关的方案对其空三进行优化，并用实际项目对本文的方案进行验证。结果表明：利用本文的方案，可以有效提升空三的解算成功率，在一定程度上也提高了空三的解算效率。对于倾斜摄影建模工作人员来说，具有较强的借鉴性，可以有助于他们提升空三的解算成功率，提高作业效率。

1 倾斜摄影测量技术现状

倾斜摄影测量是指在飞行平台上搭载多个航摄影，在空中对地面进行多角度、全方位影像数据的采集[6]。相对于传统的垂直摄影测量来说，利用倾斜摄影可以获取更多角度的影像，有用信息更加丰富。镜头的增加，虽然获取了更多有用的影像，但是数据量也急剧增加，这为数据解算带来的挑战[7]。目前已有软件的平差算法，都是针对理想情况下的平差模型来开发的，并不能适用于大角度、影像畸变大的情况，这也导致了倾斜摄影空三解算容易出现分层、弯曲的情况，因此必须对其进行优化，从而来提升空三的解算成功率。

2 空三加密优化研究

通过对倾斜摄影整个作业流程进行分析，对空中三角测量各算法进行分析可知，空中三角测量解算主要有特征检测、特征点提取、图像相似度计算、特征匹配和平差调整构成。影响后期空中三角测量解算的因素主要有影像质量、控制点点位、精准的相机参数和可靠的POS数据，即主要由输入数据决定。针对上述几方面的问题，本文提出如下几条方案，对输入数据进行优化，从而实现对空中三角测量成果进行优化的目的。

2.1 影像质量的提升

对于无人机测绘来说，要想获得高质量的影像，就必须具备良好的外业作业环境。对于实际工作来说，由于工期、成本等问题，很多时候获取的影像数据，质量是存在一定问题的，这就需要对影像质量进行提升。影像质量主要查看影像的对比度以及是否符合正态分布，还有就是查看其分辨率是否符合设计要求。

某一农房项目是在阴天飞行的，其影像对比度不明显，对于数据解算来说，可能因为对比度不明显，从而影响空中三角测量解算的时长，因此有必要对其质量进行提升。通过对影像进行查看，决定采用Photoshop 软件对其进行匀光匀色、调整对比度。

影像数量多，采用一张一张处理很明显是不可行的，因此需要对其进行批处理，这就需要用到Photoshop 软件中的动作命令，对一幅影像的处理流程进行记录，然后按照同样的处理步骤对所有影像进行自动处理。首先进行自动调色，然后进行色阶调整，再进行曲线调整，然后得到处理后的影像。图1 和图2 是处理前后的对比效果图，其中图1 的上图是处理前的原始影像，图1 下图是处理后的影像；图2 是处理前的影像正态分布图，其中图2 的上图是处理前的效果，图2 下图是处理后的效果。

图1 处理前后影像

通过对图1 进行查看可知，采用本文的方法对影像进行处理，其亮度有了明显的调整，对比度有了明显的增加，质量得到了提升。对图2 进行对比可知，处理前，输入色阶基本上位于0-1 之间，而处理后其色阶位于1的左右两侧，基本呈对称状态，符合正态分布规律，表明其质量良好。通过数据解算可知，在处理前，该空三解算耗时18 小时，处理后耗时16.5 小时；处理前其加密点重投影中误差为0.651 个像素，优化后为0.583 个像素。在解算时间和解算精度上均有了显著的提升。

图2 处理前后正态分布图

2.2 控制点点位

控制点点位对于测绘来说极其重要，因为其直接影响空三加密成果的最终精度。控制点点位目前常见的有两种，一种是自然特征点，这种点位以自然地物为目标点，具有分布不规律，点位不明确等特点，也称特征控制点。另一种是人工喷涂控制点，这种点位可以分布均匀，且点位非常明确，对于内业来说，可以准确进行转刺。在控制点采集的时候，为了提升控制点的采集精度，减少偶然误差，一般每个点至少采集3 次，且每次平面、高程较差均在1cm 之内，否则则视为错误的点，需要进行重新采集。

为了验证控制点点位对最终空三加密成果的精度，在某一1:500 地形图测绘项目中，采用两种控制点点位进行作业，特征点和喷涂点基本上成对布设，确保在空三平差构网时，其网形是相同的，减少因网形不同带来的影响。在采集的时候，使用相同的仪器，按照同样的方式进行采集，确保采集精度是相同的。在控制点转刺的时候，是在同一个空三成果上进行的，确保了自由网空三成果对其影响是相同的。

通过对两次的平差报告查看可知，特征控制点的三维点位中误差为0.051 米，而喷涂控制点的三维点位中误差为0.023 米，空三精度有了明显的提升，因此采用喷涂控制点取代特征控制点，可以有效提高空三加密成果的精度，对空三结果起到一定的优化。

2.3 相机参数优化

由于倾斜摄影镜头多，在实际作业中基本上对没有按要求对镜头进行检校，因此其相机参数并不精确。在数据解算过程中，需要利用准确的相机参数，来还原摄影时精准的中心点坐标和焦距，这样才能有助于特征点的检测和提取，有助于空三更快、更精准的解算。针对相机参数不精确，主要采用软件自检校的方式对其进行优化。其思路是利用少量照片来进行空中三角测量解算，通过平差，对其相机参数进行优化，然后将优化的参数导出，作为新的输入数据重新输入软件中，再次进行空三加密解算，直到参数稳定下来，基本上就可以作为最终的优化后的相机参数。

某一带状项目，第一次将所有影像和POS 进行加载，然后输入相机报告中的相机焦距，然后提交空三任务进行解算。解算耗时36 小时，解算结束后，查看其空三成果，空三出现了弯曲，无法使用，空三解算失败。在带状解算中，由于影像畸变大，相机参数不准确，平差网络不稳定，直接导致了空三弯曲。为了解决这一问题，首先每个镜头选择100 张影像，5 镜头共选择500 张影像进行空中三角测量解算，每次解算优化后的相机参数作为下一轮的初始参数输入软件中，再次进行空三加密解算。在完成第四次解算后，其相机参数和第三次优化后的相机参数基本一致，取其作为最终优化后的相机参数。新建工程，导入所有影像和POS 数据，输入最终优化后的相机参数，提交空三任务进行空三加密解算，解算完成后，通过人机交互的方式，对其解算结果进行查看，空三成果未出现弯曲、分层现象，成果与实际情况相符，4 次相机参数优化加上最终空三加密解算共耗时约30.5 小时，较优化前，其空三解算效率提升了15.3%。对于工期紧、面积大的项目来说，按照这种方法，空三成功率不但有了提高，且耗时明显缩短，精度符合相关要求，成果质量是非常可靠的，因此相机参数的优化可以有效的完成空三加密解算的优化。

2.4 POS 数据解算优化

POS 数据对于空三加密来说是非常重要的，其为参与运算的影像提供了一个初始的位置坐标和姿态参数。目前倾斜摄影，多数设备在记录POS 时，都只记录了下视镜头的POS，并没有记录侧视镜头的POS 数据。然而在实际数据解算时，准确的POS 可以有助于提升空中三角测量解算的效率和精度，甚至影响到空三加密解算的成果是否可用，因此对POS 进行解算是非常有必要的。通过对多镜头相机安装关系进行分析，结合其平台检校参数，可以以下视镜头POS 为基准，对侧视镜头的POS数据进行解算。采用人工解算的方式，不但效率低，而且对于海量数据来说，并不现实，因此需要相应的算法来实现POS 数据的解算。笔者针对POS 数据解算，利用Matlab 软件开发了简易的POS 数据解算软件。只需输入下视镜头的POS 和平台检校参数，即相对于下视镜头的方位和三维坐标，就可以准确的解算出侧视镜头的POS数据。

某一项目采用5 镜头倾斜摄影作业，在进行空三加密解算时，以下视镜头POS 作为侧视镜头的POS 输入软件中，完成空三加密的解算，解算结果如图3（左图）所示。采用笔者开发的软件，将下视镜头的POS 输入软件中，再分别输入4 个侧视镜头相对于下视镜头的方位和三维坐标，完成对侧视镜头POS 数据的解算。然后利用解算后的POS 作为输入数据，提供给侧视镜头的影像，并完成空三加密的解算，解算结果如图3（右图）所示。

图3 POS 解算前后空三加密结果对比图

通过图3 可知，在以下视镜头POS 代替侧视镜头POS 解算过程中，解算成果出现了分层，空三成果不能直接使用。在采用本文的方法，对侧视镜头的POS 进行解算后，其空三成果未出现分层，成果可用。且在空三加密耗时方面，优化前耗时21 小时，优化后耗时16.5 小时，数据解算效率提升了21%。优化后的加密点重投影中误差为0.358 个像素，小于规范要求的2/3 个像素，成果精度良好。

3 对比分析

利用本文提到的方案，对测试数据进行作业，得到了良好的解算效果，具体统计结果见表1，其中空三解算时长单位是小时（h）；空三解算精度分为两种，在影像质量、相机参数、POS 数据这几栏中，是指加密点重投影中误差的精度，单位为像素（pixel）；在控制点点位这一栏的空三解算精度是指控制点平差后的三维点位中误差，单位为米。

表1 不同方案优化前后对比

通过表1 可知，提升影像的质量，可以有效缩短空三解算的时长和提升空三解算的精度；采用喷涂控制点，可以提升空三加密最终结果的精度；优化相机参数，可以提高空三解算的成功率，缩短空三加密所用时长；优化侧视镜头POS，可以有效提升空三加密解算成功率，缩短空三加密所用时长。

结束语

针对倾斜摄影空三失败率高的问题，本文深入研究了倾斜摄影空三解算这一环节，并提出切实可行的方案对空三解算进行优化。采用实际项目，对优化前后的效果进行验证。通过实际项目验证可以发现，采用不同的优化方案，可以在一定程度上提升空中三角测量解算的成功率，缩短解算时长，提升空三解算精度。对于倾斜摄影作业人员来说，本文的方案具有一定的实用性，可采用本文的方案来解决实际作业中空三解算失败率高、耗时长、精度低的问题。