機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測量技術(shù)分析

發(fā)布日期：2018-05-29 00:00 瀏覽量：11953

　　近年來，國際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展了一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡稱傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像，從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足，通過整合POS、DSM 及矢量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于影像的各種三維測量。基于人眼視覺適合于觀察傾斜透視像片的特點(diǎn)，傾斜影像測量技術(shù)更適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用。針對傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，人們進(jìn)行了多方面的研究探討。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于測繪、國土安全、城市管理等領(lǐng)域。

　　1、機(jī)載多角度傾斜攝影簡述

　　機(jī)載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)是新一代攝影測量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取部分一般由5個(gè)數(shù)碼相機(jī)組成，包括１個(gè)垂直攝影相機(jī)和４個(gè)傾斜攝影相機(jī)，系統(tǒng)還可將攝影相機(jī)與機(jī)載GPS接收機(jī)、高精度IMU 進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來提供影像信息，而GPS、IMU 則分別提供位置和狀態(tài)信息。通過在系統(tǒng)中集成定位定姿設(shè)備或進(jìn)行空中三角測量處理可為每張拍攝的影像提供位置姿態(tài)信息用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測量系統(tǒng)是數(shù)字制圖方面的一個(gè)重要突破，它使得“非現(xiàn)場”測量和分析不僅可在模型上進(jìn)行，而且也可在傾斜航片上進(jìn)行。通過攝影測量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個(gè)所謂的“場景文件”中，而“場景文件”則提供了對任一地塊、建筑物、構(gòu)筑物及特征物的多維度、多視向的觀察。國外在上世紀(jì)90年代就開始了對傾斜攝影測量系統(tǒng)的研究，目前該技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)和市場的應(yīng)用方向。美國Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影技術(shù)的公司。目前Pictometry公司的傾斜攝影系統(tǒng)已在北美、歐洲得到廣泛的應(yīng)用，該類系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)對人們使用地理空間信息的方式產(chǎn)生著很大的影響。它在美國的早期成功是用于突發(fā)事件方面的應(yīng)用，而真正的發(fā)展始自于與微軟的合作，并被集成進(jìn)微軟公司開發(fā)的Bing Maps之中。Google Earth也可能集成大角度的傾斜影像。經(jīng)過地理參考定位的傾斜影像拓展了傳統(tǒng)垂直影像的特性，提供了獨(dú)特的透視觀測方式，基于影像的三維測量系統(tǒng)具有如下的作用：①直接觀測到建筑物的立面，垂直影像上是很困難或不可能的；②能夠在影像上直接測量物體的高度、長度、面積等；③改善了對電桿、燈桿等物體的識(shí)別，而要在正射影像上進(jìn)行這些識(shí)別是很困難的；④改善了非地圖專業(yè)人員對地理信息的“可讀性”；⑤擴(kuò)展了以傾斜影像的３Ｄ觀測ＧＩＳ數(shù)據(jù)的方式。

　　2、基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的三維測量技術(shù)

　　傾斜攝影測量系統(tǒng)三維建模的主要目標(biāo)是，基于多角度傾斜相機(jī)攝影數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)飛行拍攝的影像、拍攝時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù)、該區(qū)域DSM 數(shù)據(jù)、矢量圖形數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行必要的加工處理，建立基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統(tǒng)。其主要內(nèi)容如下。

　　（1）利用POS進(jìn)行傾斜攝影高精度空中三角測量利用航拍時(shí)同步記錄的POS數(shù)據(jù)，研制開發(fā)高精度光束法區(qū)域網(wǎng)平差程序模塊，計(jì)算每幅影像的內(nèi)外方位元素及檢校參數(shù)等，計(jì)算立體測圖所需的定向點(diǎn)、連接點(diǎn)等。

　?。?）影像數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)管理與檢索針對傾斜攝影系統(tǒng)拍攝的大量影像及位置姿態(tài)數(shù)據(jù)等，建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問接口。

　　（3）DSM 數(shù)據(jù)管理與檢索

　　針對攝影區(qū)域內(nèi)的大量DSM 數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問接口。

　?。?）矢量數(shù)據(jù)管理與檢索

　　針對攝影區(qū)域內(nèi)的矢量圖形數(shù)據(jù)，建立必要的數(shù)據(jù)管理與檢索模塊。為后續(xù)處理提供該類數(shù)據(jù)的訪問接口。

　　（5）影像與DSM 融合

　　在上述處理模塊的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)傾斜攝影影像與DSM 數(shù)據(jù)的融合方法，生成高密度彩色點(diǎn)云或三維彩色影像，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云彩色化或圖像三維化。

　?。?）影像與矢量數(shù)據(jù)融合

　　研制開發(fā)傾斜攝影影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的融合方法，實(shí)現(xiàn)影像與矢量圖形數(shù)據(jù)的疊置整合。

　?。?）基于影像的三維測量與建模

　　在上述處理模塊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于傾斜攝影影像的顯示及交互三維量測，包括（相對）位置、高度、長度、距離和面積等。實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像的三維建模功能。

　?。?）基于WEB的查詢應(yīng)用

　　在上述模塊加工處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于WEB的查詢?yōu)g覽軟件，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的影像三維測量功能。

　　2.1三維建模技術(shù)

　　在利用傾斜攝影影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、DSM 數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用如下的技術(shù)路線：通過研制開發(fā)基于POS的傾斜攝影空中三角測量技術(shù)，進(jìn)一步提高位置姿態(tài)的測量精度，得到每幅影像的方位數(shù)據(jù)；擬采用快速索引技術(shù)實(shí)現(xiàn)對多源空間數(shù)據(jù)的管理與檢索，開發(fā)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口；采用DSM 數(shù)據(jù)作為多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的幾何基準(zhǔn)；利用空間同步原理實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)與DSM數(shù)據(jù)及矢量圖形數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)融合；研究基于影像信息支持的內(nèi)插法進(jìn)行影像三維化；擬根據(jù)攝影測量幾何約束研究開發(fā)三維建模紋理自動(dòng)（或半自動(dòng)）映射方法。

　　2.2單斜片測量技術(shù)

　　單斜片測量是在一些基本的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，能夠?qū)螐埿逼M(jìn)行某些參數(shù)的應(yīng)用測量，主要包括地物的高度、長度、距離及面積的測量等。

　?。?）單斜片測量需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料包括5頭相機(jī)傾斜攝影影像資料，POS數(shù)據(jù)或空三加密成果（主要是斜片的內(nèi)外方位元素），包含斜片地面覆蓋范圍的測區(qū)DEM、DOM 數(shù)據(jù)等。

　?。?）單斜片測量的思路

　　在POS數(shù)據(jù)或空三加密成果及測區(qū)的DEM、DOM 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立待測量斜片與DOM數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，得到一定意義上的傾斜糾正影像，再對傾斜糾正斜片進(jìn)行一些相對參數(shù)的測量。

　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　基于上述思想，初步開發(fā)了一個(gè)利用傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模與單斜片測量的軟件系統(tǒng)。開發(fā)環(huán)境采用的操作系統(tǒng)為XP／W7，開發(fā)語言為VC＋＋6．0／VC＋＋2010。下面對軟件系統(tǒng)的基本功能及實(shí)驗(yàn)情況做一下簡單介紹。

　　3.1加載DOM、DEM 影像由于要實(shí)現(xiàn)對傾斜影像的檢索和量測，首先需要加載該區(qū)域的DOM影像，在菜單欄文件目錄下，打開需要加載的該區(qū)域的DOM 影像，同時(shí)DEM影像也會(huì)自動(dòng)加載。

　　3.2計(jì)算斜片覆蓋范圍

　　計(jì)算斜片覆蓋范圍所需資料包括對應(yīng)的POS數(shù)據(jù)、內(nèi)方位數(shù)據(jù)、相機(jī)大小數(shù)據(jù)和測區(qū)地面的平均高程數(shù)據(jù)。在菜單欄目錄下預(yù)處理→斜片覆蓋范圍，打開POS或像片外方位元素?cái)?shù)據(jù)文件對話框，加載外方位元素?cái)?shù)據(jù)，即可計(jì)算像片的覆蓋范圍，提示程序正常運(yùn)行，此時(shí)在每個(gè)相機(jī)文件夾下會(huì)自動(dòng)生成計(jì)算出的像片覆蓋范圍結(jié)果文件Photos.cov和Photos.ctp。只有在新加載一個(gè)工程時(shí)，才需要計(jì)算像片的覆蓋范圍，之后如果重新需要加載該工程，則不需要首先計(jì)算像片的覆蓋范圍，直接進(jìn)入下一步即可。

　　3.3檢索斜片

　　加載了DOM 影像之后，就可以在DOM 影像上任何區(qū)域檢索出該區(qū)域所有匹配的影像，分為兩部分檢索斜片和檢索列表。單擊該區(qū)域即可檢索出該區(qū)域?qū)?yīng)的像片個(gè)數(shù)。

　　3.4斜片測量

　　檢索完像片之后，即可選擇最佳像片進(jìn)行測量。該軟件在斜片測量方面給出了兩種方法：

　　一種方法是根據(jù)DEM 確定動(dòng)態(tài)比例尺，計(jì)算長度和面積。測量目錄下有斜片長度和斜片面積兩個(gè)命令，可測量任意長度和面積。

　　結(jié)束語:

　　機(jī)載多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)是對單角度攝影測量系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展，通過在一個(gè)飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)攝影角度的傳感器或數(shù)碼相機(jī)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的地表三維測量，而且由于其能夠同時(shí)獲取更多的地表覆蓋數(shù)據(jù)，因而能夠大大提高地表三維測量的可靠性和測量精度；還能夠在完成地表三維幾何測量的同時(shí)，獲取大量的常規(guī)攝影無法得到的地物立面的紋理信息和幾何信息，其在數(shù)字城市構(gòu)建中具有重要的意義。

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