傾斜攝影(yǐng)數據應用(yòng)于三維建模單斜片測量是否可(kě)行

近年來(lái)，國際地理(lǐ)信息領域将傳統航空攝影(yǐng)技術和(hé)數字地面采集技術結合起來(lái)，發展了(le)一種稱爲機載多(duō)角度傾斜攝影(yǐng)的(de)高(gāo)新技術，簡稱傾斜攝影(yǐng)技術。傾斜攝影(yǐng)技術通(tōng)過在同一飛(fēi)行平台上搭載多(duō)台或多(duō)種傳感器，同時(shí)從多(duō)個(gè)角度采集地面影(yǐng)像，從而克服了(le)傳統航空攝影(yǐng)技術隻能從垂直角度進行拍(pāi)攝的(de)局限性，能夠更加真實地反映地物(wù)的(de)實際情況，彌補了(le)正射影(yǐng)像的(de)不足，通(tōng)過整合POS、DSM 及矢量等數據，進行基于影(yǐng)像的(de)各種三維測量。基于人(rén)眼視覺适合于觀察傾斜透視像片的(de)特點，傾斜影(yǐng)像測量技術更适合于網絡環境應用(yòng)。針對(duì)傾斜攝影(yǐng)數據的(de)特點，人(rén)們進行了(le)多(duō)方面的(de)研究探討(tǎo)。該技術可(kě)廣泛應用(yòng)于測繪、國土安全、城(chéng)市管理(lǐ)等領域。

　　1、機載多(duō)角度傾斜攝影(yǐng)簡述

機載多(duō)角度傾斜攝影(yǐng)測量系統是新一代攝影(yǐng)測量系統。其主要内容包括傾斜攝影(yǐng)數據獲取技術和(hé)相應的(de)數據處理(lǐ)技術。該系統數據獲取部分(fēn)一般由5個(gè)數碼相機組成，包括１個(gè)垂直攝影(yǐng)相機和(hé)４個(gè)傾斜攝影(yǐng)相機，系統還(hái)可(kě)将攝影(yǐng)相機與機載GPS接收機、高(gāo)精度IMU 進行高(gāo)度集成。攝影(yǐng)相機用(yòng)來(lái)提供影(yǐng)像信息，而GPS、IMU 則分(fēn)别提供位置和(hé)狀态信息。通(tōng)過在系統中集成定位定姿設備或進行空中三角測量處理(lǐ)可(kě)爲每張拍(pāi)攝的(de)影(yǐng)像提供位置姿态信息用(yòng)于後續的(de)數據處理(lǐ)。

傾斜攝影(yǐng)測量系統是數字制圖方面的(de)一個(gè)重要突破，它使得(de)“非現場(chǎng)”測量和(hé)分(fēn)析不僅可(kě)在模型上進行，而且也(yě)可(kě)在傾斜航片上進行。通(tōng)過攝影(yǐng)測量方式獲得(de)的(de)垂直正射像片和(hé)傾斜正射像片被整合到一個(gè)所謂的(de)“場(chǎng)景文件”中，而“場(chǎng)景文件”則提供了(le)對(duì)任一地塊、建築物(wù)、構築物(wù)及特征物(wù)的(de)多(duō)維度、多(duō)視向的(de)觀察。國外在上世紀90年代就開始了(le)對(duì)傾斜攝影(yǐng)測量系統的(de)研究，目前該技術正成爲研究的(de)熱(rè)點和(hé)市場(chǎng)的(de)應用(yòng)方向。美(měi)國Pictometry公司是世界上最早研究傾斜攝影(yǐng)技術的(de)公司。目前Pictometry公司的(de)傾斜攝影(yǐng)系統已在北(běi)美(měi)、歐洲得(de)到廣泛的(de)應用(yòng)，該類系統所具有的(de)特點對(duì)人(rén)們使用(yòng)地理(lǐ)空間信息的(de)方式産生著(zhe)很大(dà)的(de)影(yǐng)響。它在美(měi)國的(de)早期成功是用(yòng)于突發事件方面的(de)應用(yòng)，而真正的(de)發展始自于與微軟的(de)合作，并被集成進微軟公司開發的(de)Bing Maps之中。Google Earth也(yě)可(kě)能集成大(dà)角度的(de)傾斜影(yǐng)像。經過地理(lǐ)參考定位的(de)傾斜影(yǐng)像拓展了(le)傳統垂直影(yǐng)像的(de)特性，提供了(le)獨特的(de)透視觀測方式，基于影(yǐng)像的(de)三維測量系統具有如下(xià)的(de)作用(yòng)：

①   直接觀測到建築物(wù)的(de)立面，垂直影(yǐng)像上是很困難或不可(kě)能的(de)；

②   能夠在影(yǐng)像上直接測量物(wù)體的(de)高(gāo)度、長(cháng)度、面積等；

③   改善了(le)對(duì)電杆、燈杆等物(wù)體的(de)識别，而要在正射影(yǐng)像上進行這(zhè)些識别是很困難的(de)；

     ④改善了(le)非地圖專業人(rén)員(yuán)對(duì)地理(lǐ)信息的(de)“可(kě)讀性”；

⑤  擴展了(le)以傾斜影(yǐng)像的(de)３Ｄ觀測地理(lǐ)信息系統 GIS 數據的(de)方式。

　　2、基于傾斜攝影(yǐng)數據的(de)三維測量技術

傾斜攝影(yǐng)測量系統三維建模的(de)主要目标是，基于多(duō)角度傾斜相機攝影(yǐng)數據獲取系統飛(fēi)行拍(pāi)攝的(de)影(yǐng)像、拍(pāi)攝時(shí)同步記錄的(de)POS數據、該區(qū)域DSM 數據、矢量圖形數據等資料，進行必要的(de)加工處理(lǐ)，建立基于機載多(duō)角度傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像的(de)三維測量系統。

其主要内容如下(xià)。

　　（1）利用(yòng)POS進行傾斜攝影(yǐng)高(gāo)精度空中三角測量利用(yòng)航拍(pāi)時(shí)同步記錄的(de)POS數據，研制開發高(gāo)精度光(guāng)束法區(qū)域網平差程序模塊，計算(suàn)每幅影(yǐng)像的(de)内外方位元素及檢校參數等，計算(suàn)立體測圖所需的(de)定向點、連接點等。

　　（2）影(yǐng)像數據及輔助數據管理(lǐ)與檢索針對(duì)傾斜攝影(yǐng)系統拍(pāi)攝的(de)大(dà)量影(yǐng)像及位置姿态

　　數據等，建立數據管理(lǐ)與檢索模塊。爲後續處理(lǐ)提供該類數據的(de)訪問接口。

　　（3）DSM 數據管理(lǐ)與檢索

　　針對(duì)攝影(yǐng)區(qū)域内的(de)大(dà)量DSM 數據，建立數據管理(lǐ)與檢索模塊。爲後續處理(lǐ)提供該類數據的(de)訪問接口。

　　（4）矢量數據管理(lǐ)與檢索

　　針對(duì)攝影(yǐng)區(qū)域内的(de)矢量圖形數據，建立必要的(de)數據管理(lǐ)與檢索模塊。爲後續處理(lǐ)提供該類數據的(de)訪問接口。

　　（5）影(yǐng)像與DSM 融合

　　在上述處理(lǐ)模塊的(de)基礎上，研制開發傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像與DSM 數據的(de)融合方法，生成高(gāo)密度彩色點雲或三維彩色影(yǐng)像，實現點雲彩色化(huà)或圖像三維化(huà)。

　　（6）影(yǐng)像與矢量數據融合

　　研制開發傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像與矢量圖形數據的(de)融合方法，實現影(yǐng)像與矢量圖形數據的(de)疊置整合。

　　（7）基于影(yǐng)像的(de)三維測量與建模

　　在上述處理(lǐ)模塊的(de)基礎上，實現基于傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像的(de)顯示及交互三維量測，包括（相對(duì)）位置、高(gāo)度、長(cháng)度、距離和(hé)面積等。實現基于傾斜影(yǐng)像的(de)三維建模功能。

　　（8）基于WEB的(de)查詢應用(yòng)

在上述模塊加工處理(lǐ)數據的(de)基礎上，開發基于WEB的(de)查詢浏覽軟件，實現基于互聯網的(de)影(yǐng)像三維測量功能。

　　2.1三維建模技術

在利用(yòng)傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像數據、POS數據、DSM 數據及矢量圖形數據的(de)基礎上，采用(yòng)如下(xià)的(de)技術路線：通(tōng)過研制開發基于POS的(de)傾斜攝影(yǐng)空中三角測量技術，進一步提高(gāo)位置姿态的(de)測量精度，得(de)到每幅影(yǐng)像的(de)方位數據；拟采用(yòng)快(kuài)速索引技術實現對(duì)多(duō)源空間數據的(de)管理(lǐ)與檢索，開發統一的(de)數據訪問接口；采用(yòng)DSM 數據作爲多(duō)源數據配準的(de)幾何基準；利用(yòng)空間同步原理(lǐ)實現影(yǐng)像數據與DSM數據及矢量圖形數據的(de)配準融合；研究基于影(yǐng)像信息支持的(de)内插法進行影(yǐng)像三維化(huà)；拟根據攝影(yǐng)測量幾何約束研究開發三維建模紋理(lǐ)自動（或半自動）映射方法。

　　2.2單斜片測量技術

　　單斜片測量是在一些基本的(de)測量數據産品的(de)基礎上，能夠對(duì)單張斜片進行某些參數的(de)應用(yòng)測量，主要包括地物(wù)的(de)高(gāo)度、長(cháng)度、距離及面積的(de)測量等。

　　 （1）單斜片測量需要的(de)基礎數據資料包括5頭相機傾斜攝影(yǐng)影(yǐng)像資料，POS數據或空三加密成果（主要是斜片的(de)内外方位元素），包含斜片地面覆蓋範圍的(de)測區(qū)DEM、DOM 數據等。

　　 （2）單斜片測量的(de)思路

在POS數據或空三加密成果及測區(qū)的(de)DEM、DOM 數據的(de)基礎上，建立待測量斜片與DOM數據之間的(de)關系，得(de)到一定意義上的(de)傾斜糾正影(yǐng)像，再對(duì)傾斜糾正斜片進行一些相對(duì)參數的(de)測量。

　　3、實驗結果與分(fēn)析

　　基于上述思想，初步開發了(le)一個(gè)利用(yòng)傾斜影(yǐng)像數據進行三維建模與單斜片測量的(de)軟件系統。開發環境采用(yòng)的(de)操作系統爲XP／W7，開發語言爲VC＋＋6．0／VC＋＋2010。下(xià)面對(duì)軟件系統的(de)基本功能及實驗情況做(zuò)一下(xià)簡單介紹。

3.1加載DOM、DEM 影(yǐng)像由于要實現對(duì)傾斜影(yǐng)像的(de)檢索和(hé)量測，首先需要加載該區(qū)域的(de)DOM影(yǐng)像，在菜單欄文件目錄下(xià)，打開需要加載的(de)該區(qū)域的(de)DOM 影(yǐng)像，同時(shí)DEM影(yǐng)像也(yě)會自動加載。

　　3.2計算(suàn)斜片覆蓋範圍

計算(suàn)斜片覆蓋範圍所需資料包括對(duì)應的(de)POS數據、内方位數據、相機大(dà)小數據和(hé)測區(qū)地面的(de)平均高(gāo)程數據。在菜單欄目錄下(xià)預處理(lǐ)→斜片覆蓋範圍，打開POS或像片外方位元素數據文件對(duì)話(huà)框，加載外方位元素數據，即可(kě)計算(suàn)像片的(de)覆蓋範圍，提示程序正常運行，此時(shí)在每個(gè)相機文件夾下(xià)會自動生成計算(suàn)出的(de)像片覆蓋範圍結果文件Photos.cov和(hé)Photos.ctp。隻有在新加載一個(gè)工程時(shí)，才需要計算(suàn)像片的(de)覆蓋範圍，之後如果重新需要加載該工程，則不需要首先計算(suàn)像片的(de)覆蓋範圍，直接進入下(xià)一步即可(kě)。

　　3.3檢索斜片

加載了(le)DOM 影(yǐng)像之後，就可(kě)以在DOM 影(yǐng)像上任何區(qū)域檢索出該區(qū)域所有匹配的(de)影(yǐng)像，分(fēn)爲兩部分(fēn)檢索斜片和(hé)檢索列表。單擊該區(qū)域即可(kě)檢索出該區(qū)域對(duì)應的(de)像片個(gè)數。

　　3.4斜片測量

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

一種方法是根據DEM 确定動态比例尺，計算(suàn)長(cháng)度和(hé)面積。測量目錄下(xià)有斜片長(cháng)度和(hé)斜片面積兩個(gè)命令，可(kě)測量任意長(cháng)度和(hé)面積。

　　機載多(duō)角度傾斜攝影(yǐng)測量系統是對(duì)單角度攝影(yǐng)測量系統的(de)改進和(hé)發展，通(tōng)過在一個(gè)飛(fēi)行平台上搭載多(duō)個(gè)攝影(yǐng)角度的(de)傳感器或數碼相機，不僅能夠實現常規的(de)地表三維測量，而且由于其能夠同時(shí)獲取更多(duō)的(de)地表覆蓋數據，因而能夠大(dà)大(dà)提高(gāo)地表三維測量的(de)可(kě)靠性和(hé)測量精度；還(hái)能夠在完成地表三維幾何測量的(de)同時(shí)，獲取大(dà)量的(de)常規攝影(yǐng)無法得(de)到的(de)地物(wù)立面的(de)紋理(lǐ)信息和(hé)幾何信息，其在數字城(chéng)市構建中具有重要的(de)意義。

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