基于倾斜摄影的TDOM制作及其在水利工程中的应用探讨

谈 政，朱小欢，周胜洁，邸国辉

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070；2.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051)

数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)同时具有影像、坐标和几何特征，具有精度高、信息全、形象直观等特点，是构建空间数据框架的重要组成依据，是测绘产品的重要组成部分，在工程建设规划、灾害防治、水环境监测评估、土地利用调查等各领域应用广泛。

传统正射影像图的制作主要是通过中心投影影像数字微分纠正方法得到的，在纠正过程中，具有一定高度的地面物体会相互遮挡，无法解决投影差问题，容易产生遮蔽现象；在影像图拼接过程中，图幅间及航带间接边还经常出现建筑物错位、变形等问题，这使得正射影像失去了“正射投影”的意义。另外，采用DOM拼接线编辑方法处理错位、变形等问题，效率较低，质量也难以保证[1]。

倾斜摄影生产真正射影像(True Digital Orthophoto Map，TDOM)的主要方法是利用倾斜摄影采集的高密集点云构建数字表面模型，再通过数字微分纠正方法改正中心投影影像的几何变形，对整体区域进行影像重采样，生成高质量的真正射影像。此方法可解决投影差问题，在影像图拼接过程中能避免出现建筑物错位、变形等问题。针对建筑物影像真正射纠正后可能存在的“漏洞”，还能利用倾斜影像进行修补，以保证TDOM的完整性。

1 关键技术

1.1 投影差控制

投影差是地形起伏引起的像点位移，与相机焦距、拍摄航高、地物高低及地形起伏有密切关系。

通常情况下，地面点相对高度越高、成像点距离像主点越远，投影差越大，反之则越小。点的相对高度是自然属性，无法人为控制，在必要情况下，可以增加影像重叠度来尽量减小投影差[2]，如图1所示。

图1 影像重叠示意图

在TDOM实际生产中，主要利用数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)来控制投影差，通常在TDOM生产前规定Δl的最大值，即规定TDOM平面中误差的精度指标。由式(1)可得：

(1)

式中，d—成像点到像主点的距离，mm；f—焦距，mm；Δhmax—最大相对高度，m；Δlmax—最大投影差，m。

最远点到像主点的距离可表示为

(2)

式中，A1、A2—像幅尺寸(长、宽)；C1、C2—航向、旁向重叠度。

文章采用的CW- 10C无人机正摄镜头焦距为20mm，其等效焦距为30mm，设定航向、旁向重叠度分别为80%、70%，则最远点到像主点的距离为5.88mm，若要求投影差不大于0.6m，则相应的DSM高程误差应不大于3.06m；设定航向、旁向重叠度分别为60%、30%，则最远点到像主点的距离为13.41mm，若要求投影差不大于0.6m，则相应的DSM高程误差应不大于1.34m，详见表1。

表1 不同情形下DSM限差

焦距f越大，DSM高程误差的限差越大；航向、旁向重叠度越大，DSM高程误差的限差也越大。

1.2 重叠度设置

多视影像密集匹配和联合平差是提高TDOM精度和质量的关键技术，通过高分辨率、高精度的DSM进行影像几何纠正，能有效改正中心成像造成的影像几何变形与位置偏差。它主要在多角度倾斜摄影影像联合空三加密的基础上进行密集匹配，生成高密度三维点云，其精度与效果跟影像分辨率和重叠度关系密切。在传统航向重叠度60%和旁向重叠度30%的设置下，地面物体会互相遮挡，影像不易匹配，建筑物各立面纹理特征和几何精度难以保证[3]。

多角度倾斜航摄仪能同时获取测区的下视影像和侧视影像，为地面物体纹理自动映射和遮蔽区域纹理补偿提供更丰富的数据源。因此，在外业航摄过程中，需对影像航向和旁向重叠度进行提升以减少遮挡，通过较高的冗余度消除粗差，提高DSM精度，进而提高TDOM的精度。

2 TDOM制作

2.1 倾斜摄影

文章在湖北黄冈市长河治理工程中开展了应用试验，采用CW- 10C无人机，搭配五组Sony ILCE- 5100镜头拼装相机进行倾斜摄影，4个倾斜镜头的焦距为35mm，正摄镜头的焦距为20mm，像幅尺寸为35.8mm×23.9mm，像素为2400万。航摄区域面积约为3km2，测区平均海拔为30m，最大相对高差为50m，测区分布了多栋高层建筑物。

结合续航时间及测区范围，设计飞行3个架次，共36条航线，地面分辨率为3.8cm，航向及旁向重叠度均为70%，航线间距72m，相对航高为230m，不同架次之间重叠3～4条航线，如图2所示。为提高DSM匹配精度和效果，像控点均布设于开阔平坦地面。

2.2 点云提取及DSM构建

通过ContextCapture软件的影像自动匹配功能和SFM技术，计算内方位元素和相机畸变参数，并考虑像主点偏移影响，恢复相机拍摄瞬时位置姿态，再通过自由网平差和像控点平差，生成带坐标的稀疏点云，进一步利用多视立体视觉技术创建三维网格进行点云加密，最后获得测区的DSM，如图3所示。

2.3 空三平差

传统垂直摄影测量系统只能解算处理垂直视角影像，无法解算其他倾斜视角影像。倾斜摄影空三加密包括垂直的下视角和前、后、左、右倾斜视角等多视角影像的数据处理，它以5个视角的POS数据为基础，分别获取各视角外方位元素和姿态参数，在每级影像上由粗到细进行多视角影像自动匹配和自由网平差，然后建立5个视角影像控制点刺点连接，联合进行平差解算。在空三加密时需注意的是：

图2 航线图

图3 点云及DSM生成

(1)倾斜影像几何变形较大，随拍摄距离增大而变大，需合理选取匹配影像；

(2)倾斜摄影地物之间容易相互遮挡，仅依靠同名点自动匹配，可能无法成功匹配所有像点，需人工干预补充。

像点重投影误差的均方根是客观反映最终建模精度的重要指标之一，通过该指标可初步判断模型的精度。试验中将30个控制点进行空三计算，控制点重投影误差的均方根为0.03像素，最大值为0.05像素，连接点重投影误差的均方根为0.7像素，模型精度较高。

对倾斜影像和正摄影像空三结果进行了量测分析，结果表明，在下视影像和倾斜影像中，平面中误差和高程中误差均满足航空摄影测量规范要求。在控制点精度校核上，下视影像的精度比倾斜影像的精度高；在检查点的精度校核上，则是倾斜影像的精度更高；当影像分辨率为10cm时，平面中误差在精度范围内，高程中误差略大[9]。

2.4 DSM提取

利用ContextCapture软件，生成三维模型瓦片对应的DSM，能够满足一般的要求。倾斜影像的特征点对应影像数中位值为10，明显大于正摄影像的影像数中位值3，增强了多视影像密集匹配的稳健性。

为全面分析倾斜影像和正摄影像DSM的差别，试验中利用0.05m网格的倾斜影像和下视影像分别生成了数字表面模型DSM1和DSM2。采用GIS软件对DSM1、DSM2求差后，截取2个典型断面进行对比分析，得到断面高程较差及建筑物高程较差，如图4所示。

图4 倾斜影像与正摄影像DSM的较差

对于相对高差较小的区域，DSM较差最大值为1.2m，但在距高层建筑物边缘线0.2～0.8m处，有多处DSM局部差别较大(7～30m)。这表明正摄影像由于遮挡等原因，产生误匹配，导致DSM局部误差较大。

DSM存在失真的问题，会导致DOM投影差大，从而DOM会出现明显的扭曲和失真。

2.5 TDOM生成

在三维模型基础之上，生成的DOM已经是真正射影像，不需再进行其他纠正。由于测区范围过大，软件自动生成的DSM和TDOM是采用瓦片形式存放的，为了实际应用的方便，通过ArcGIS软件对瓦片文件进行了拼接合并处理。

根据遮蔽补偿原理，遮蔽区域的纹理能在相邻航线上得到补偿，基本消除了TDOM的漏洞。由于水面的低纹理特性产生的少数漏洞，采用Photoshop软件进行了填充修复。最终生产的TDOM成果如图5所示。

图5 湖北黄冈市长河治理工程TDOM

2.6 TDOM精度检测及效果分析

2.6.1TDOM精度检测

TDOM的位置精度评定可通过比对加密点和检查点进行衡量。一般选取房角、墙角、陡坎等几何特征变化大的位置，结合三维实景模型或全站仪检测进行比对。

采用全站仪进行高精度检测，平面中误差公式如下：

(3)

式中，pi—坐标矢量较差；n—检测点数量。

通过外业检查点对TDOM平面精度进行了检测分析，结果见表2。

表2 TDOM平面精度统计表

经检测，检查点平面误差最大为0.08m，最小为0.04m，中误差为0.065m，试验生成的TDOM满足了规范精度要求。

另外，将TDOM与1∶500比例尺数字线划图(DLG)进行了叠加比对，套合情况良好，说明TDOM的几何精度高。

2.6.2TDOM表征质量对比

对正摄摄影DOM与倾斜摄影TDOM进行了效果对比，显见正摄摄影DOM存在建筑物边缘锯齿、建筑物房角非直角、正方形扭曲、亭子非圆、内部道路边缘扭曲、道路中线错位和边缘被树木遮挡、建筑物附近的漏洞等缺陷，而在TDOM中均得到改正，TDOM的质量比DOM明显提高。

另外，TDOM细节纹理更加突出，几何误差小，阴影和遮挡大幅度减少，消除了航摄高度和相机倾斜造成的遮蔽影响，影像均匀分布在实际地表位置。

3 TDOM在水利工程中的应用探讨

3.1 虚拟漫游巡线

TDOM形象直观、信息丰富、坐标位置精准，所有地物属性一目了然。在水利工程建设前期，结合DEM构建数字地表模型，进行工程沿线地形地物的分析和可视化巡视，并可直接从影像图上分析地物属性、量测所需数据资料，从总体上把握工程现状，还能获取无法实地查勘区域的相关信息，便于工程前期的规划和选址。

3.2 水利工程信息化底图

信息化是当今世界的大势所趋，是推动经济社会发展的重要力量，是传统水利向现代水利转变的必由之路。国家大力推进水利信息化建设，旨在提高水资源利用与管理效率，科学合理调配水资源，促进水利事业发展。在此背景下，水利一张图、智慧水利、数字流域等工程应用应运而生，这些都需要精准可靠的影像作为底图，而TDOM高分辨率、高精度、无变形的特性正是水利工程各类信息化应用的重要数据基础。试验中，利用切片后的TDOM数据作为影像基础构建了工程BIM+GIS数字化平台，为工程定位、标绘、量测等各类应用提供了基本底图，取得了良好应用效果。

4 结论

文章利用倾斜摄影技术生成的TDOM能满足规范要求，消除了传统DOM几何精度差、遮挡漏洞等缺陷，自动化程度较高，精度和效果均得到有效提升。在TDOM制作过程中，影像高重叠度能直接提升产品质量，并能提供更丰富的地面纹理来修补漏洞，故采用倾斜摄影技术制作TDOM时，建议航向及旁向重叠度均不小于70%。

基于水利行业发展现状，文章探讨了TDOM在水利工程虚拟漫游巡线和信息化建设领域的相关应用，具有一定的推广应用价值。针对TDOM在水利工程设计建造及智慧化、数字化领域的深层次应用，文章尚未深入研究，仍需进一步的探讨与论证。