空地融合技术在地质精细建模中的应用

周志彬，谢文军

（1.正元地理信息集团股份有限公司，北京 101300；2.深圳市勘察测绘院（集团）有限公司，广东 深圳 518028）

近年来摄影测量设备与影像数据处理技术的不断进步，使得倾斜摄影测量和实景三维建模技术被广泛应用于测绘及其相关行业，并取得了良好的效果。该技术通过无人机搭载五镜头云平台相机，对建模目标物体进行全方位扫描拍摄；通过外业地表控制点布设与实测，内业像控点刺点、空三加密解算与纹理提取，可快速构建目标物的三维实景模型。

虽然倾斜摄影测量技术能快速采集影像数据和三维实景建模，但在构建精细化模型时仍存在诸多问题，如倾斜摄影通过空中相机对地观测，若建筑物有遮挡，模型则会出现拉花现象；若空中影像重复率较低，模型则会出现空洞现象，甚至会导致空三加密失败和无法建模。为了提取目标物体的高分辨率三维模型，许多学者做了相关深入研究，取得了丰硕的成果，如李敏珍[1]、王延亮[2]等利用LiDAR技术对部分古建筑进行了全方位立体点云采集，并运用点云处理平台构建了目标物古建筑的精细三维模型，获得了较好的建模效果；林苏靖[3]、王庆栋[4]等利用专业室内三维建模平台3ds Max对建筑物进行了精细建模；赵紫轩[5]、韩东亮[6]等利用近景摄影测量技术对古建筑进行了近景贴近摄影测量，针对小范围内的建筑房屋和矿区进行了贴近拍摄，精细构建了目标物的三维模型。LiDAR技术可提高目标物模型的高度信息精度，点云采集效率较高，但缺乏光谱信息，无法构建实景三维模型；3ds Max技术是针对某一特定物体的精细建模，人机交互工作量非常大、效率较低；近景贴近摄影测量的数据采集范围不大，无法对较大区域进行三维建模；因此，针对精细化三维建模的方法，目前尚存纹理丢失、机载LiDAR成本高效率低、人机交互工作量大、建模范围限制等多种瓶颈。本文结合水准测量和地质解译项目，利用倾斜摄影测量空地融合技术，详细探讨了精细化实景建模的方法，并取得了良好的测试效果。

1 空地融合技术体系

倾斜摄影测量空地融合无需后期内业单体化软件参与建模，首先进行室内航飞设计，根据任务航测范围，利用地面站软件规划航飞线路、范围、航高以及航片重叠率等参数；然后进行航飞，该阶段也是本文重点阐述的内容，包括空中上层正摄摄影测量、空中中层倾斜摄影测量以及地面手动补拍环节；最后通过空中、地面3层高低空航拍数据的融合技术，达到空地影像的一体化处理，且后期无需人工修模工作。该方法可大大提高倾斜摄影测量三维建模的生成效率。倾斜摄影测量空地融合的技术路线为：①航测规划设计；②内业空三加密，基于多视立体视觉算法（PMVS）和运动结构恢复算法（SFM）自动匹配连接点；③三维模型构建、纹理映射；④精度检验，如图1所示。

倾斜摄影测量三维重建的核心技术包括数据预处理、空三加密解算、影像密集匹配等[7-8]，数据预处理主要是精密解算后处理POS数据，对地面站、控制站与飞机流动站三方POS数据文件进行合并，统一处理形成最终的后差分精密POS数据，并进行POS数据与影像的一一对应处理；空三加密解算是核心技术中的要点，依据相片上量测的像点坐标，以少量地面控制点为平差条件，求解影像定向以及地面点的加密问题[9-10]。

图1 倾斜摄影测量空地融合技术路线

2 空地融合精细化建模

2.1 精细化建模方法

借助正元地理信息集团股份有限公司在甘肃某地的地质断层航测解译项目，本文重点阐述了倾斜摄影测量空地融合技术在地质精细化建模中的应用。该测区穿越榆木山东缘断裂，航飞面积约为0.5 km2；采用大疆精灵4 Pro消费级无人机进行航拍，搭载云台相机的焦距为8.8 mm，等效焦距为24 mm，2 000万像素；航向与旁向重叠率分别设置为80%和75%；相对航高分为3层，这也是本文空地融合的关键所在。

1）空中上层正摄航拍。倾斜摄影测量三维建模要求影像间满足一定的重叠度，但又不可为了重叠度而进行无休止的多层任意航拍，过多的航拍势必导致影像同名点自动匹配错误，甚至空三加密解算的失败，因此精细化建模只需航拍3～4层即可。空中上层正摄航拍的目的为：①对整个测区重点区域进行三维建模，以提高建模效率；②统领衔接中层各分散区块次重点建模区域的航拍，基于上层影像，可在低空进行离散区块化分别补拍，从而提高次重点区域的拍摄效率。

2）空中中层倾斜摄影航拍。在上述大范围航拍后，即可对测区中次重点区域进行低空高分辨率倾斜摄影测量，但该层飞行范围不可超出上层正摄区域，否则后期内业需人工介入，手动添加连接点。本次航高与第一次航高存在一定的比例关系，经多次测试发现，低空倾斜摄影测量航高最好是上层正摄航高的1/3。该层的作用是承上启下，连接上层和地面手动补拍影像。由于相机在拍摄过程中，为了追求高分辨率，中间航高发生了变化，相机焦距也随之改变；而在后期建模过程中，程序自动识别影像焦距，若二者焦距相差倍数过大，则极可能导致空三加密解算的失败，因此在空地影像数据融合过程中，为了关联上层和地面手动补拍影像的焦距，该中间层的倾斜摄影不可缺少。本文中上层正摄航高设置为80 m，因此中层航高可设置为25 m。

3）地面手动补拍。20 m航高在倾斜摄影测量中已属于低空摄影测量，其拍摄影像分辨率可达1.0 cm，但为了更清晰地解译地质参数，仍需在地面进行手动拍摄，以获取高清纹理结构信息。与空中中层倾斜摄影要求一致，地面手动补拍的范围需在中层倾斜摄影覆盖区域内，若为手机补拍，则在内业数据处理中，需手动添加连接点，以确保将其与上层航拍影像进行关联。

后期的空三加密解算结果如图2所示，图2a中黄色相机是通过空三加密且参与到计算的影像，红色相机为空三加密未使用的数据，未使用的影像是第三层手动补拍的相片。分析其原因为：其上空没有覆盖第二层倾斜摄影数据，从而导致第一层正摄与第三层地面手动补拍相片的焦距差异过大，不能完成同名特征点匹配。图2b中远处地面手动补拍的影像则完全参与到空三加密解算中，由于其有中间层过渡，使上、中、下3层数据的焦距依次关联，程序能自动识别同名点。

图2 空三加密解算成果

2.2 精细化建模示例

通过空三加密解算、三角网构面、纹理映射后，可构建飞行测区范围内的三维实景模型，如图3所示。本次精细化建模测试是通过对比测区内部两个水准监测点来完成的，一个经过上、中、下3层航拍和补拍，另一个只完成上层正摄航拍和地面手动补拍。从空三加密解算结果来看，中间倾斜摄影层未参与的水准点，其地面手动补拍影像同时作废，只用到了上层正摄航拍数据，建模结果如图4a、4b所示，该水准点三维模型显示模糊、分辨率低、质量较差；而经过上、中、下3层拍摄的水准点，三维模型清晰，建模精度高，点位附近杂物、地表纹路以及观测标志表面纹理清晰可见，如图4c、4d所示。

经过多次验证，该方法均获得了很好的测试结果。超低空航摄与精细化建模的最大优势在于：只需在外业飞行工作中，通过航飞技巧控制，即可确保内业空三加密解算较高的通过率以及精细化三维实景模型的构建，后期无需格式转换以及3ds Max、DP-Modeler、SVS等修模处理。追其原理，不难发现，倾斜摄影测量如同传统测量手段一样，虽然内业数据处理会有一定的精度损失，但最终成果质量还是由外业数据采集环节决定的。

基于倾斜摄影测量空地融合与精细化建模技术，本文构建了甘肃省榆木山东缘断裂一处场地的高分辨率三维模型，并利用实景模型解译了该断层微地貌的相关地质参数，如图5所示。

图3 测试场地构建三维实景模型

图4 水准点精细化建模对比效果

图5 榆木山东缘断裂场地三维实景模型

3 精度分析

为了探讨该三维模型的实际精度，本文前期布设了4个定向点与18个检查点。通过将外业实测定向点、检查点与三维模型中对应的点位进行一阶差分处理和中误差计算，最终获取定向点与检查点的精度结果如表1、2所示，可以看出，点位平面中误差与高程中误差均满足相关精度要求。

表1 空三光束法区域网平差结果/m

表2 地物检查点平面和高程误差统计表/cm

本文对线划地形图的地物点进行了精度检验，地形图中基本等高距为1 m，求解得到比例尺为1∶500的DLG中，平面中误差在图上的距离为0.122 mm，小于规范要求的图上0.6 mm（一般地区平坦地）；高程中误差为0.086 m，小于0.333 m（1/3基本等高距）。

4 结 语

本文通过倾斜摄影测量空地融合技术构建了精细地质三维实景模型，并从中获取了利用空地融合关键技术的经验：①为了确保空地影像数据能很好的融合，要求从3个不同航高进行航拍，且中层航高是上层航高的1/4～1/3，地面手动补拍是中层航高的1/4；②上层正摄航拍采集范围应尽可能放大，将测区外扩范围包含在内，中层为倾斜摄影测量，其采集区域不可超出上层范围，而地面手动补拍区域又在中层倾斜摄影范围之内，若没有中层航拍环节，则需在内业空三加密解算前手动添加多个连接点； ③为了提高空三加密解算的成功率，可检查未参与计算影像的传感器尺寸与相机焦距，一般情况下是错误的，将其改正即可，再重新提交空三加密计算；也可从Engine中查询空三加密解算失败的原因，将其对应的参数设置更改后再重新提交，并将POS或控制点精度调到最低；若因空三分层而失败，则应在此空三加密的基础上将自动计算的外方位元素依次按镜头编号导出，再依次导入空三加密前的工程中去，最后重新提交空三加密解算即可。