倾斜摄影空三结果优化及检查研究

来源：《测绘》2017年2月

作者：罗天银、张平、黄青伦

[摘要] 本文基于Street Factory 倾斜摄影实景三维建模系统，针对目前空中三角测量无质量检查标准的现状，提出了连接点匹配及抽稀的方法，介绍了空三优化参数设置技术，提出了几种空三结果质量检查项。本文重点描述了均匀保留维度较高连接点的思路，探讨了像片连接点均匀分布的重要性，通过评分机制方便地检测出需要人工编辑缺少连接点的像片。这些技术和质检依据不但能够提高倾斜摄影空三优化效率，还可以为科学评价空三质量提供可行的方法。

[关键词] 倾斜摄影;空中三角测量;连接点;优化参数;质量检查项;评分机制; Street Factory

1、引言

　　倾斜摄影技术作为城市三维建模的最新手段，其效率和真实性远远高于传统的人工建模。它高精度地理位置表现、可量测性、高性价比等优势已经逐渐渗透到各行各业，并成功地应用于城市规划与管理、公安消防、景区宣传、突发公共事件应急处理等领域，成为继4D 产品后测绘行业地理信息服务的新方案。但是，目前国内对倾斜航空摄影测量技术的研究尚处于发展阶段，其中多视倾斜影像匹配和空三解算更是实景三维建模的瓶颈。

　　针对倾斜摄影空中三角测量这一关键技术，国内外学者进行了大量的相关研究。文献[1]利用影像初始外方位元素和数字高程模型数据得到了分布均匀、正确率高的匹配点。文献[2]提出了一种大范围倾斜多视影像自动连接点提取和光束法区域网平差算法。文献[3，4]提出了连续像对相对定向、光束法区域网平差模型和定位定向系统辅助光束法区域网平差模型。文献[5]采用一种基于透视变换和改进匹配策略的倾斜影像匹配方法得到大量分布均匀的同名点对，针对多视倾斜影像光束法平差方法未知参数多，可能导致平差解算不稳定的问题，推导并实现了带有相对姿态参数的倾斜影像光束法平差模型。文献[6]基于低空无人机倾斜摄影数据讨论了提高无人机EO 精度的方法。文献[7]分别利用街景工厂和VirtuoZo 对倾斜摄影空三加密成果进行精度分析。文献[8]分析了影响非量测相机倾斜航空影像空三加密精度的误差来源。

　　即使倾斜空三已经取得了较多的研究成果，但其仍然较费时费力，且没有完备的质量检查依据。本文以Street Factory 三维建模系统为基础，给出了倾斜摄影空中三角测量连接点匹配及抽稀的方法，介绍了空三优化参数设置的技巧，并提出了几种空三结果质量检查项。通过编程实现了保留连接点和检查连接点分布等功能，不但提高了倾斜摄影空三优化效率，还有效地控制了空三优化成果质量。

2、空三数据准备

　　根据Street Factory 对普通数据源的要求，整理IMAGES 原始影像目录、image.csv 曝光点外方位元素、camera.csv 相机文件。然后利用point_repartition 生成连接点，此工具对影像的初始外方位元素的精度要求较高，在处理无人机倾斜数据时，我们可以利用文献[6]中提到的方法。

　　point_repartition 工具一般匹配了较多的密集同名点，对于后续区域网平差解算，会造成很大的效率负担。因此有必要对原始的连接点进行过滤抽稀，程序设计如下：

( 1 ) 输入参数为影像列表文件specif_chantier、连接点文件tie.gcp，输出参数为连接点结果文件result.gcp，环境变量分别为影像大小和保留窗口大小。

(2)根据环境变量计算出影像格网大小，准备用于存放保留连接点的容器List，初始化一个DataTable。存放一张影像上每个连接点相关的属性信息，字段为点号、维度、x 坐标、y 坐标、分区号。

(3)以影像列表作为循环变量，在点文件中搜索出此变量上的所有连接点，再通过连接点的像方位置进行分区，分区编号为保留窗口的大小从左至右、从上到下依次编排， 将这些属性写入到DataTable 中。

(4)比较每一个分区中各个点的维度大小，取最大维度的连接点写入到连接点容器中，最后从容器内存写入输出结果点文件。

　　程序运行后效果如图1 所示，其中左图为原始匹配连接点，右图为过滤后保留的连通性较好的连接点。此种过滤方法不仅均匀保留了维度高的同名点，还将容易出现匹配错误的低维度点，影响后续平差的同一位置多个连接点等不利情况降到最低，为区域网平差提供了可靠的连接点输入变量。

3、优化参数分类

　　StreetFactory 针对倾斜相机平台专门设计了一套有别于传统框幅式的全新传感器模型，并将优化参数分为四类(表1)。

　　A 类：GPS/IMU 观测误差，优化的是曝光点的3个角元素和3 个线元素;

　　B 类：相机镜头与GPS/IMU 平台的位置偏差，优化的也是3 个角元素和3 个线元素;

　　C 类：相机相关参数，包含了相机的主距、像主点位置、畸变参数等;

　　D 类：切比雪夫多项式参数。

　　对于不同类型的模型参数，根据其特定的物理意义，在进行平差优化时采取不同的计算模式。

4、优化技巧

　　倾斜摄影测量空中三角测量在实景三维建模中占有举足轻重的作用，但其非常耗时，通过一定的方法可以提高优化的效率，具体如下：

　　(1)一个区域网包含的像片数不超过7000 张，大的区域网需进行分割，以保证连接点的匹配效率、加快平差过滤的频率。

　　(2)精确的初始外方位元素可以加快匹配连接点的速度，因此可以使用任何一种可行的方法提高像片外方位元素的精度。

　　(3)sigma 是优化连接点的关键参数，其中包含了上述提到的ABCD 四类参数。在进行最初几次空三优化过程时，只优化A 类和D 类，当最大残差为15 像素左右时，并且最大残差的前10 个点都为同名点时，再进行B 类和C 类参数调整。

　　(4)specif_chantier 中的连接点和控制点权值根据影像的地面分辨率和像控点测量精度来确定，一般连接点权值设置为0.5，控制点权值以地面分辨率和像控点测量精度中的最大值设置。

　　(5)在添加控制点进行绝对定向时，可只在下视影像上刺点。区域网接边时，也可只接下视影像的边，即在区域网间重叠的只有下视影像。

　　(6)平差过滤后如果有像片的连接点较少或者分布不均匀，可采用load 的方式在已有的连接点文件中自动补生连接点。

5、优化结果质量检查

　　5.1 质量检查项

　　StreetFactory 中提供了部分空三优化指标，包括连接点数量、像片平面中误差、像点平均维度等。结合分布均匀的原则，将倾斜摄影空中三角测量质量检查项总结如表2 所示。

　　5.2 连接点分布检查程序

　　空三结果的准确性主要依赖于连接点的均匀分布，通过一种分布评分机制，将连接点像平面位置和维度作为评分的主要依据，程序设计如下：

　　(1)输入参数为影像列表文件specif_chantier、连接点文件tie.gcp ，输出参数为评分结果文件result.txt，环境变量为影像的宽度和高度。

　　(2)准备一个存放结果的容器List，为每一张像片准备一个DataTable，用于存放像片上所有连接点的属性信息，字段分别为点号、维度、x坐标、y 坐标、分区号、距离、得分。

　　(3)将像片划分为3×3 格网大小，对像片上所有连接点分别获取其点号、维度和像平面坐标。

　　(4)根据坐标计算出连接点的分区号，并计算其与分区中心点绝对距离，构建二元一次方程，将距离和维度作为输入参数，计算连接点所得分数。

　　(5)对每个分区，统计出连接点的个数，并取出其中得分最高的连接点，将这些连接点分数相加即得到每张像片的连接点分布均匀性总得分。

　　(6)将影像列表作为循环变量，重复以上3-5的步骤，得到每张影像的总点数、总得分、每一个分区的点数和得分，最后从内存容器中将评价结果写入到result.txt 文件中。

　　程序运行后除了统计出每张像片的得分，也统计出了无连接点数量的区域数，根据这两个值排序，可以很方便检查出连接点分布不均匀的像片，从而对空三过程进行科学的有目的人工干预。

6、结束语

　　本文以街景工厂为倾斜摄影空中三角测量解算平台，介绍了数据准备要求，介绍了提高优化效率的方法，并给出了几种具有代表性的空三成果质量检查项。文中重点描述了均匀保留维度较高连接点的思路，探讨了像片连接点均匀分布的重要性，通过评分机制方便地检测出需要人工编辑缺少连接点的像片，为科学评价空三质量提供了可行的方法。随着经验的积累，针对不同的项目，所应用的优化技术也各有所异。下一步研究的重点为收集各种质量检查方法、整合质检工具，形成较为完善的倾斜摄影空中三角测量质检程序。

参考文献

　　[1] Hu H ， Zhu Q ， Du Z ， et al . Reliable Spatial　Relationship Constrained Feature Point Matching　of Oblique Aerial Images[J] . Photogrammetric　Engineering & Remote Sensing，2015，81(1)：49-58.

　　[2] 闫利，费亮，叶志云，等. 大范围倾斜多视影像连接点自动提取的区域网平差法[J]. 测绘学报，2016，45(3)：310-317.

　　[3] 张剑清，潘励，王树根. 摄影测量学[M]. 武汉：武汉大学出版社，2009.

　　[4] 李德仁，袁修孝. 误差处理与可靠性理论[M]. 武汉：武汉大学出版社，2012.

　　[5] 李德仁，肖雄武，郭丙轩，等. 倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用[J]. 武汉大学学报(信息科学版)，2016，41(6)：711-721.

　　[6] 曲林，冯洋，支玲美，等. 基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(3)：38-43.

　　[7] 姜丽丽，张姝娟，王鸿阳，等. 倾斜航空摄影数据空中三角测量的精度分析[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(5)：59-63.

　　[8] 马晨，杨辽，池梦群，等. 非量测相机倾斜航空影像空三加密精度评价[J]. 遥感信息，2015，30(6)：71-75.

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