霾对倾斜摄影测量精度的影响及其消弱方法探讨

刘 超,王翠欣

(1.河北省科学院地理科学研究所,河北省地理信息开发应用技术创新中心,河北 石家庄 050011;2.河北省第三测绘院,河北 石家庄 050031)

0 引言

倾斜摄影技术是近年来测绘遥感领域发展起来的一项高新技术,通过从不同角度和方向对目标进行拍摄,获取目标表面更加完整和精细的信息[1]。基于倾斜摄影的实景三维数据产品的出现,改变了以人工构建为主,计算机辅助制作三维模型的局面,用户拥有更丰富、合理的选择。与传统方法相比,利用倾斜摄影技术生产三维模型数据真实客观地实现了对现实世界的三维数字化表达,已广泛地应用于城市建设与规划项目[2-5]、各种工程建设[6,7]、自然资源监测[8,9]等领域。随着摄影测量技术与计算机软硬件的飞速发展,近年来倾斜摄影在空三加密、立体相对的建立与采集及点云与TIN网的优化等方面得到了长足发展[1-3,10,11]。

基于倾斜摄影测量的实景三维数据具有纠错能力强、空间精度高、还原实景逼真、应用广泛等诸多优势,与此同时,亦具有观察角度有限、分辨率过低、受大气状况影响较大、受动态物体干扰等弊端。因此,本文分析了霾对倾斜摄影测量的影响,并提出消弱霾影响的倾斜摄影实景三维重建方案,研究结果有利于提高实景三维数据产品质量,促进实景三维重建技术在我国社会、经济发展中的推广与应用[1-3,12,13]。

1 霾对倾斜摄影测量的影响

基于倾斜摄影的实景三维数据生产对天气条件要求较高。航空摄影是摄影机被动地接受地面物体的反射光,涉及两大主要因素:距离和散射。距离是指航摄仪与被摄物体间的距离,是太阳光进入大气层后照射在被摄物体的距离。单从距离的角度来看,航摄仪所收集的反射光线被削弱了两次。在天气晴好和空气质量优良的状况下,两次削弱可以忽略不计。霾是一种严重的大气污染现象,是空气中含有超标的悬浮颗粒,导致大气出现的浑浊状况,会对视线造成不同程度的影响,因此,霾会影响倾斜摄影的影像质量[14]。

2 消弱霾影响的方法

倾斜摄影数字影像的质量随着光线在霾中穿行距离减少而提高。因此缩短光线在霾中的穿行距离将会有效提高数字影像的质量。

2.1 倾斜摄影限制因素与变量分析

倾斜摄影主要限制因素包括巡航速度和最小曝光间隔。巡航速度是基于安全飞行速度的参考值,直接关系到航摄人员和航摄区域的地面安全;最小曝光间隔是指倾斜摄影数据存储的最小间隔,如果曝光时间间隔小于最小曝光间隔,则会出现影像存储失败的情况,会导致倾斜摄影失败[14-16]。因此,在已确定巡航速度和最小曝光间隔的基础上,航摄飞行高度与焦距是倾斜摄影的两个关键变量。

飞行器巡航速度与航摄仪相邻影像的曝光间隔确定倾斜摄影的下视影像基线长度。其存在如下关系:

Bline=s×t

(1)

式中:Bline为下视影像的基线,s为巡航速度,t为最短曝光间隔。则下视影像地面分辨率如下:

(2)

式中:l为下视影像的地面分辨率,b为下视影像的像幅宽,d为下视影像的航向重叠度。

限制因素与相对航高、焦距两变量的关系如公式(3):

f/H=r/l

(3)

式中:r为下视影像的影像分辨率,f为下视影像的焦距,H为相对航高。

将式(1)、式(2)代入式(3)可得:

(4)

由公式(4)可知,在飞行速度与航向重叠度不变的条件下,倾斜摄影的飞行高度与航摄仪焦距的调整成正比,降低飞航高度便于脱离霾所在区域高度,因此降低飞行高度的同时缩短航摄仪下视焦距可以消弱霾对倾斜摄影的影响。

2.2 缩短焦距对倾斜摄影测量的影响分析

经实验分析,航摄仪下视焦距可以由80 mm调整为50 mm,同时为保证斜视影像与下视影像的地面分辨率相近,将斜视镜头由100 mm调整为80 mm定焦镜头,相对飞航高度由1100 m调整为530 m,即在相对航高减少约50%基础上,影像下视地面分辨率提高约23%,见表1。

表1 倾斜摄影改进方案参数表

2.3 降低相对航高对斜视点云的影响分析

航摄仪斜视镜头用于获取地面物体的侧面纹理特征。由于斜视镜头影像投影差的影响,被投影差遮挡的地面纹理的面积被扩大,如图1所示。

注:O为曝光点中心,R为曝光点中心的地面投影点,T为房屋近角,Q为房屋近角T的地面投影点,N为房屋近角在斜视影像的地面投影点,S为房屋远角,P为房屋远角S的地面投影点,M为房屋远角在斜视影像的地面投影点,X为房屋甲对房屋乙遮挡的临界点,Y未乙房屋近角地面投影点,A+I为房屋侧面在斜视影像的地面投影,e为房屋甲对房屋乙的遮挡高度,C为S点在水平平面的投影到Y点的距离,D为房屋甲、乙的楼间距。图1 倾斜角度的遮挡示意图

①当相对航高H降低,地面分辨率不变时,房屋侧面在斜视影像的地面投影(A+I)的变化趋势。由图1中相似三角形△NTQ和△NOR推导可知:

(5)

式中:A为房顶近角端地面投影,h为房高,L为房屋距离航摄中心投影长度,H为相对航高,I为房顶宽度。

随着H的降低,房屋侧面在影像的投影会逐渐增大,所提供侧面纹理的像素也就越丰富。H下降,h、L不变,A+I将会有所增加。

②当相对航高H降低,地面分辨率不变时,能够获得房屋顶部在斜视影像的地面投影B的变化趋向。由相似三角形△MSP和△MOR推导可知:

(6)

随着H的降低,房屋顶部B在影像的投影会逐渐增大,侧面纹理就越丰富。

综上,随着航高的降低,反映建筑侧面纹理的像素会大量增加,点云密度会随之增加,对建筑物侧面的表现力会更加细致。

③当相对航高H降低,地面分辨率不变时,房屋甲对房屋乙的遮挡变化趋势。设 ∠XMN=∠SMP=∠a,由相似三角形△MXN与△MSP推导可知:

e=C×tana=h-D×tana

(7)

随H的降低,甲建筑对乙建筑的遮挡高度e会增加。以SWDC-5的斜视相机为例,相机取景角度约17.0°,相机主轴与地面夹角为45.0°,那么斜视相机取景的地面夹角约为36.5°～53.5°。D、h为固定值,当甲建筑对乙建筑存在遮挡时,结合式(5)、式(6)可知:

0≤h-1.35D≤e≤h-0.74D

(8)

当甲建筑顶部处于影像边缘时,e达到极大值,此时乙建筑无法在该影像中出现,也就不存在遮挡;当1.35D

2.4 降低相对航高对下视点云的影响分析

在倾斜摄影中,下视点云着重表现地面纹理和建筑物的顶部纹理,而地面纹理主要来源于下视点云,斜视点云由于存在投影差,所以往往连建筑物侧面的近地部分也难以体现[17]。由图1和式(6)可知,在斜视影像中随着航高的降低,建筑物的投影变大,对地面遮挡的部分随之增大;该情况在下视影像中同样存在,不同的是,由于下视相机拍摄角度的不同,建筑物的投影普遍偏小,如图2所示。

注:H′、H分别为降低前、后的航高,T′、T分别为航高降低前、后房屋甲的地面投影,为航高降低后房屋甲的地面投影,L为房屋近端与像主点距离,L′为房屋中心到像主点距离(L′=L+I/2),影像分辨率为0.006 mm,影像像幅为6 132×8 176 像素。图2 建筑物地面遮挡情况

根据图1、图2,式(5)、式(6)可以推导出:

(9)

(10)

代入数值得:0.03 m≤T′≤64 m,0.05 m≤T≤144 m。

比较T与T′可知,随着相对航高的降低,建筑的遮挡范围会大幅度增加;同时由于旁向基线长度约为170 m,与最大遮挡长度相近,此时遮挡可以由相邻航线和相邻影像进行补偿。

综上所述,降低相对航高对地物纹理获取的影响主要包括:①降低相对航高能够提高斜视影像中建筑物的侧面纹理的信息量[16]。②相对航高的降低带来建筑物间的遮挡,但对于低层建筑,其遮挡可忽略,对于高层建筑,其遮挡部分可以通过旁向航线或其他方式进行补偿。③在地面分辨率不变的条件下,虽然降低航高能够提高下视影像的高程精度,但是对于地面纹理的提取仍有一定的不利影响,但这些不利影响对实景三维数据产品的外观效果与应用并不明显。

3 倾斜摄影实景三维重建实例验证

3.1 实景三维数据生产流程

空三加密是倾斜摄影三维重建的一个重要环节,其质量决定三维模型的数学精度[12]。以街景工厂为例的生产流程如图3所示。

图3 实景三维数据生产流程图

3.2 实验参数与数据分析

采用运5、SWDC-5为航摄器具,选取石家庄槐安路部分区域作为验证区。区域大气状况、倾斜航空摄影基本参数见表2、表3。实验采用前后两期大气状况相近的影像(图4)进行对比分析与验证。

图4 影像质量整体对比

表2 两次倾斜航空摄影大气状况

表3 两次倾斜航空摄影基本参数

将两次获取原始影像整体进行对比(图4)可见,第一次(改进前)影像略显粗糙,色彩偏蓝,影像色阶分布不均匀,第二次(改进后)影像色彩柔和,信息丰富,色阶分布均匀,但整体反差较小,第二次影像质量比第一次影像质量更优。

3.3 实景三维数据产品对比

图5实景三维数据产品在桥面上色彩斑斓、杂乱无章,但纹理的空间逻辑性尚好。由于大气污染的影响,为了提高实景三维数据产品的观赏性,尝试性的对所有原始影像进行了匀色和增强的处理,调整后的影像用于点云、纹理的提取。该处反映出空三加密、点云提取TIN网优化环节符合基本要求,达到了空间精度基本准确的程度,而由于大气污染所带来的色彩反差则没有因为后期的影像调整而改善。图6影像虽然在相近的大气污染指数下获取,但由于降低航高、相机焦距缩短,有效地降低了大气污染的影响,使得桥面色彩过渡比较自然。

图5 第一次(改进前)倾斜航空摄影实景三维数据产品效果图及白模效果图

图6 第二次(改进后)倾斜航空摄影实景三维数据产品效果图及白模效果图

图5实景三维数据产品中栅栏的扭曲反映出TIN网的精度不高的问题,直接导致了在TIN网优化过程中,由于点云过于分散而无法明细每个点的正确与否,最终导致栅栏的TIN网不能笔直,而图6影像中的栅栏较好的还原了现实,栅栏与路面的空间特征更为明细、准确。

图5实景三维数据产品中的隔离带扭曲变形,纹理错位,说明该处空三加密存在缺陷。造成这一缺陷的主要原因是由于大气污染导致原始影像在该处的纹理模糊不清,使得空三加密部分原始影像的外方位元素结算不准确,进而影响到点云匹配、TIN网优化等关键环节。而图6的则明显改善了这一情况。

由此可知,在大气污染指数相近的状况下,图6的实景三维数据产品与图5相比从纹理效果、从TIN网的光滑程度、空间精度等方面都有了较大的改善,其产品质量均已达到设计规范。

4 结 语

本文探讨了如何有效地降低霾对倾斜摄影测量精度的影响。通过对倾斜摄影航摄特点的分析,提出了缩短航摄仪焦距、降低相对航高的航摄方案的可行性,并对相同区域、不同大气污染程度的两次实景三维数据产品进行对比验证,取得了较好的验证效果。