倾斜摄影空中三角测量解算优化研究

杨朋荷

（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）

近年来，测绘技术日新月异，尤其是无人机航空摄影测量技术，取得了快速的发展。无人机摄影测量目前主要有两种形式，一种是传统的垂直摄影测量技术，其作业时，通常搭载一个航摄仪，航摄仪垂直于地面进行影像数据的采集；另一种是倾斜摄影测量技术，该技术在近几年发展迅猛，其作业时，通常搭载多个航摄仪，从空中对地面进行多角度、全方位的影像数据采集。传统的摄影测量技术，影像在采集数据时，近似与地面垂直，获取的数据，在空三解算时，其模型符合传统的摄影平差模型，因此空三失败率很低。而倾斜摄影测量，由于其余地面的夹角大，平差模型与传统的摄影平差模型不符，因此倾斜摄影空中三角测量在解算时极易出现分层、弯曲、交叉等问题。针对倾斜摄影空中三角测量出现的问题，笔者在分析了其解算过程后，提出一些方案，来对倾斜摄影空中三角测量的解算进行优化，并通过实际案例对优化前后的结果进行对比分析。通过分析可知，本文提出的几种方案，对于空中三角测量的解算优化，其效果是比较明显的，可以有效提升空三的解算成功率，且解算的精度和效率也有一定的提升，可以有效解决倾斜空三解算的一系列问题，从而为倾斜摄影从业者带来借鉴。

1 倾斜摄影作业流程

倾斜摄影作业分为外业和内业，外业主要是获取数据，内业主要是数据处理。外业的工作主要包括测区勘察、资料收集、飞机选型、航线规划、像控点采集和航空摄影；内业的工作主要包括数据预处理、数据输入、空中三角测量解算、像控点转刺与平差、多视影像密集匹配、不规则三角网构建、白膜生成、纹理映射、格式转换与输出，具体的作业流程见图1。

图1 倾斜摄影作业流程

2 空中三角测量优化研究

空中三角测量解算，在同一个软件里，其解算的结果主要受输入数据的影响。输入数据主要包括影像数据、定位数据（POS）和相机参数。由于不同软件空中三角测量解算算法不一样，因此同一数据，不同软件解算结果也是不一样的。鉴于此，本文通过优化输入数据、多款软件组合使用的方法，对空中三角测量进行优化研究。在空中三角测量解算时，其主要的作业流程如图2 所示。

图2 倾斜摄影空中三角测量解算流程

2.1 优化相机参数

相机参数在数据解算中是非常重要的，相机参数主要涉及到相机的内方位元素，通过不同方式获取相机的精准参数，可以有效提升空中三角测量的解算成功率。

2.1.1 通过多次解算不断优化相机参数

空中三角测量解算的过程，主要包括特征点的提取与匹配，再进行平差。平差其实是对匹配的特征点进行优化的一个过程，通过平差优化，从而对相机的内方位元素进行优化。在某些软件中，在进行空中三角测量解算时，通过多次不断地提交空三任务、解算空三任务，从而使得空三解算成果可用。

2.1.2 通过检校场完成相机参数的标定

精准的相机参数，主要的获取方式是通过相机检校场。相机检校场的靶标是具有三维的靶标，利用无人机携带多镜头航摄仪，对相机检校场进行拍摄，然后利用专业的相机参数检校软件，通过拍摄的检校场影像，对相机的内方位元素和径向畸变系数、切向畸变系数进行准确解算，从而得到高精度的相机检校参数，从而提升空中三角测量解算的成功率和精度。

2.1.3 通过少量照片来获取准确相机参数

在数据解算时，少量影像解算容易通过，而大量影像解算则很容易失败。通过对解算前后的相机参数进行对比可知，当空三解算成功时，其参数趋于稳定，不再随着解算进行改变。因此可以通过此方法获取较准确地相机参数。首先选择部分照片进行空三解算，通过多次解算，其参数趋于稳定，则将优化后的相机参数作为输入数据进行大量影像解算，这样也可以有效提升影像解算成功率。

2.2 优化定位数据

无人机搭载的航摄仪在空中进行拍照时，搭载的定位定姿装置就会将相机曝光时的位置和姿态记录下来。目前无人机姿态稳定性差，在实际作业中，一般只利用其定位数据，因此定位数据质量的高低也影响着空中三角测量的解算结果。

2.2.1 基于下视镜头POS 求解其余镜头的POS 值

目前无人机搭载的多镜头航摄仪，其记录POS 的装置只有一套，并且记录的POS 是下视相机曝光时的位置，并没有记录其它镜头的POS 数据。在数据解算时，通常都是以下视镜头POS 来代替其它镜头的POS。这样在数据解算时，并不能还原摄影时相机之间的准确位置和姿态，这样不利于影像的准确解算。多个相机之间的关系可通过平台安置参数获得，通过分析平台安置参数，可以对侧视镜头的POS 数据解算。利用C# 语言开发POS 解算软件，以下视镜头为标准，对其余镜头进行解算。为了解算软件的通用性，在软件开发时，结合2 镜头、3 镜头、5 镜头等相机的特点，将输入的参数设置为可输入项，提升了软件的通用性。通过解算可以获得精度更高的POS，有助于空中三角测量的解算。

2.2.2 以下视镜头POS 为参考来约束侧视镜头数据

在上海瞰景软件中，有这样的选项，其目的就是提升空中三角测量解算的成功率，避免空三分层。其原理是在数据解算的时候，其余镜头的数据，都已下视镜头的数据为参照，就是在平差的时候，不但参考了POS 数据，而且也参考了下视镜头的影像，从而确保解算的数据在同一平面上，提升了空三的解算成功率。

2.3 优化影像质量

对于内业来说，提升影像的质量，主要包括去掉影像的畸变和提升影像的亮度和对比度，这样在数据解算的时候，可以得到更精准的加密点，从而提升数据的解算精度和成功率。

2.3.1 基于蒙板降低影像畸变的影响

基于蒙板主要的作用是减小影像的畸变，但实际上并不是减少影像的畸变，而是设置参与数据解算的范围，利用蒙板的技术，将影像分为两部分，即参与空三解算的区域和不参与空三解算的区域。蒙板是通过两种颜色来表示的，即黑色和白色。对于参与数据解算的区域填充为白色，对于不参与数据解算的区域，则填充为黑色。蒙板可以针对某一文件夹内所有的影像，也可以用于单张影响。如果是用于所有影像，则需要将蒙板和影像放在同一文件夹内，且命名必须为mask.tif，然后新建工程，加载影像，蒙板就会起作用，这样蒙板就设置完成了。蒙板设置完成后，在空中三角测量解算时，其对影像边缘部分，不进行提点操作，只是针对白色填充区域进行空三加密，这样有效降低了影像畸变带来的影响，提升了加密点的精度，有助于空中三角测量的解算。

2.3.2 基于匀光匀色软件提升影像的质量

由于无人机像幅小，获取的影像数量多，加上相机镜头质量一般，其获取的影像一般来说亮度不高，色差大，对比度不明显，不利于数据的解算，因此需要对其进行匀光匀色、亮度调整的处理。目前对于影像质量的处理，通常是利用软件实现的。首先利用Photoshop 软件，对某一幅具有代表性的影像进行参数调整。主要调整亮度、对比度两项参数。调整完成后，将该过程进行记录，然后利用批处理的方式对其进行处理，得到亮度、对比度符合要求的影像。对于影像的色差，则采用匀光匀色软件进行。利用航天远景的易拼图（EPT）软件，完成影像的匀光匀色处理。首先选择一幅参考影像，参考影像的选择要具备代表性、地物类型丰富。然后将待处理的影像加载到软件中，设置参考影像和匀光方法，选择输出格式，完成影像的匀光匀色，具体设置如图3 所示。

图3 匀光匀色参数设置

2.4 软件组合使用

目前倾斜摄影测量解算软件较多，如PhotoScan（下文简称PS）、ContextCapture（下文简称CC）、中测智绘的Mirauge3D（下文简称M3D）、大疆的大疆智图（DJI Terra）、航天远景的Virtuoso3D、上海瞰景的Smart3D 等，各软件均有优劣势，组合使用，可以发挥软件的各自优势，对数据解算来说，成功率和效率均会有明显提升。软件的组合使用属于优化后，优化前是指仅使用CC 软件进行数据解算，优化后的所耗时长是两款软件共用时长。

2.4.1 PS 与CC 软件组合使用

在实际作业中，将PS 软件和CC 软件组合使用，可以有效提升空三的解算成功率。PS 软件具备海量数据解算的能力，但是其用于实景三维模型生产的话，没有任何优势，劣势较多，因此一般只用来进行空三加密的解算。对于CC 软件解算不过的数据，使用PS 基本上都可以快速完成，并且其精度良好。在作业过程中，首先用PS对数据进行解算，然后将其解算得到的空三成果，输出为通用格式XML，然后将其导入到CC 软件中，利用CC软件进行平差调整，然后进行后续的生产作业。该组合可以提升空三的解算效率和精度，对于数据处理人员来说，该方法很实用。

2.4.2 M3D 与CC 软件组合使用

M3D 对于倾斜摄影测量来说，其主要的作用就是快速获取比较准确的影像外方位元素。M3D 软件精度一般，但是其数据解算成功率高，不易失败，因此常被用来进行对POS 数据进行优化处理。首先利用该软件，得到精度较低、带有外方位元素的影像POS 数据，然后将其导出通用的XML 格式，然后导入CC 软件中。该软件较PS 来说，其加密点可以根据需求进行抽稀，因此数据量再大，也可以进行抽稀输出，确保在导入CC 软件时，不会因内存溢出而导致建模失败。

3 统计分析

为了确保本文提出的方案具有通用性，以不同类型的项目对提出的多个方案进行验证，并对验证结果进行统计，统计情况见表1。表中空三成果是否可用按照“是”、“否”填写，空三成果精度单位为像素，空三解算时长单位为小时。

通过表1 中的情况统计结果来看，采用本文的方案对数据进行优化，其空三解算成果均可用。从空三成果精度来看，优化后的空三精度普遍要比优化前的高。在空三解算时长方面来说，部分优化后的空三耗时要比优化前的多，但是相比优化前来说，其成果是可用的，表明本文的优化方案是可行的。

表1 不同方案优化前后结果统计表

4 结论

本文针对倾斜摄影空中三角测量解算容易出现分层、弯曲、失败率高的问题，提出一些切实可行的方案。主要从相机参数、POS 数据、影像质量和软件组合使用四个方面进行分析，并给出相应的优化方案。以实际项目为例，对优化前后的结果进行对比分析。通过多组实验验证可以表明：本文提出的优化方案，在一定程度上，可以提升空三的解算效率和成功率，对于倾斜摄影数据解算来说，具有非常实用的借鉴意义。