第33卷第9期2019年9月
北京测绘
BeijingSurveyingand Mapping
Vol33No9
September2019
引文格式：秦玉刚，李晓诗.倾斜航空摄影空中三角测量技术及精度分析北京测绘，2019,33(9):11131116. DOI：10.19580/jki.10073000.#019.09.028 倾斜航空摄影空中三角测量技术及精度分析
秦玉刚1李晓诗2
(1.32023部队，辽宁大连116023；#.91937部队，浙江舟山31600)
［摘要］针对倾斜影像存在倾角大、重叠度高问题，本文在分析了倾斜多视影像数据的空中三角测量涉及技术，重点探讨了倾斜多视影像数据获取过程中多传感器时间同步问题、处理过程中影像匹配、多视 数据联合平差方法原理，并进行数据相应指标的精度验证％结合试验，总结出倾斜多视影像数据的空中三角测量的作业技术路径和质量控制方法％
［关键词］倾斜多视影像；空中三角测量；倾斜多视影像匹配；联合平差摇滚狂潮
［中图分类号］P#37［文献标识码］A
0引言
倾斜摄影测量系统获取的多视角影像数据与传统下视航空摄影获取影像数据相比，下视影像由于镜头垂直于地面，因此整幅影像具有固定的比例尺，可以很好地观测到地面和屋顶的特征而倾斜影像由于镜头与地面形成一定的夹角，框幅内地物影像的比例尺在不同的地方并不一致，但可观测到地面建筑物侧面高分辨率影像的纹理特征信息，不过也存在遮挡现象，给三维重建"#、纹理映射⑷、树木侧面量测5等工作
带来更丰富的信息。
通过摄影测量方法获取被摄目标物体的信息，需要经过两个步骤，即：以单张像片的空间后方交会测定像片摄影时在空中的位置和姿态，和根据目标点在两张或两张以上像片上的像点坐标计算对应点的物方空间坐标的空间前方交会空间后方交会和空间前方交会常常融合于空中三角测量或区域网平差的
过程中，以便同时求解像片的外方位元素和待定点的物方空间坐标而由于倾斜多视影像的特点：影像变形严重、尺度无法统一，重叠数多等，无法直接利用常规的解析空中三角测量方法来实施空三加密作业。李英成等提出利用GPS辅助空中三角测
数学猜想［文章编号］1007—3000(2019)09—1113—4
量技术，在稀有控制点情况下进行海岛大比例尺测图，填补我国采用低空航空摄影测量技术在海岛大比例尺测图的空白技术袁修孝等提出北斗辅助无人机航摄影像空中三角测量方法，该方法利用BDS/GPS组合动态差分定位模型提供一定的约束条件来缩小空三解算的未知数的搜索范围，引入航空摄影时的GPS数据和IMU数据，采用POS辅助的方式实施航空摄影，采用联合平差的方式来实施空中三角测量
伴随着倾斜摄影技术的应用越来越广泛，倾斜多视影像的引入能否使空三加密精度提高越来越引人关注。本文在阐述多数据源的系统集成与时间同步、倾斜多视影像数据的空三匹配、倾斜多视影像数据的联合平差等相关技术原理分析倾斜影像的精度影响因素，采用AMC580多视角航空照相机系统进行影像数据设计实验，为实际生产提供参考。具体数据处理流程见图1。
1技术原理
1.1多数据源的系统集成与时间同步
倾斜摄影系统是一个多传感器集成的系统，涉及获取数据的模块包括：一台垂直传感器镜头、若干台倾斜传感器镜头、机载定位系统GPS、惯性导航系统INS等。为了获取高精度的定姿定位数
［收稿日期］2019—05—04
"作者简介］秦玉刚(1981-)，男，辽宁大连人，大学本科，工程师，从事航空摄影测量和无人机测绘相关生产与研究工作。E-mail：qinyg_82@163
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据，空间位置确定和时间同步是关键因素"$#）
图1数据处理流程
集成倾斜航空摄影测量系统利用安设在航摄平台上一个或多个GPS接收机与地面基准站上的GPS接收机同时采集GPS数据，采用GPS 实时差分定位技术方法来联合测定无人机摄影中心的空间位置（X,Y,Z）。同时航摄影像的3个姿态角#）/）与机载GPS天线相位中心的空间位置存在一定的相关性，由于航摄仪像空间辅助坐标系与高度集成IMU惯导系统三轴陀螺坐标系之间总存在角度偏差因此，航摄像片的姿态参数可以通过乘以转角矩阵变换计算获得。
系统的时间同步不仅是传感器镜头间的同步，还需影像获取设备与定姿定位设备之间的时间同步。每一台传感器都由GPS提供时间同步信号，它们都具有相同的时间标志（时间戳）。惯性导航系统INS也集成了计时模块，它的工作状态是自由运动模式，INS时间采用原子时，时间尺度均匀，为了使INS系统内部的时间单位与GPS钟的时间同步，机载POS系统必须进行初始化，以达到时间的同步，并且通过数据后处理检校出钟的漂移误差。
1.2倾斜多视影像数据匹配
在POS辅助多视角航空摄影的基础上，获取的航摄像片较为精确的6个外方位元素，为倾斜多视影像数据空中三角测量提供了初始值。倾斜多视影像数据存在一定位置关系与POS提供的较为精确外方位元素一起为空中三角测量平差解算提供所需的解算条件。常用的影像匹配方法可分为三个大类：基于灰度的影像匹配、基于特征的影像匹配和基于解释的特征匹配算法。基于灰度的影像匹配是以待定点为中心的窗口内，以影像的灰度分布为影像匹配的基础，当待匹配的点位于低反差区内，即在该窗口内信息贫乏，信噪比很小，则其匹配的成功率不高。而对于倾斜多视影像数据，其同一地物在不同视角下的影像变形扭曲巨大，而且地物遮挡现象严重，因此在空三匹配处理方法上，单独使用基于灰度相关的方法显然不合适。而目前基于解释的影像匹配技术尚未取得突破性进展，所以特征匹配是目前倾斜多视影像数据的空三匹配所采用的主要图像匹配方法。
基于特征的影像匹配是根据两幅图像的相同特征的计算特征的相似程度，提取相似程度高的特征为同名特征点。因此，这类方法首先提取影像中的特征，如边缘点、线等。由于多视相机系统中不同相机影像之间的大视角仿射变形，因此图像中的特征点线形状会有很多的不同，而如果一开始就欲从原分辨率的倾斜多视影像中搜索出具体的特征信息，对于现有的计算机硬件水平来说，耗费巨大，且对相应的算法提出了较苛刻的要求。处理问题的重要手段有两个，一个是同形变换，另一个是建立图像的差分高斯尺度空间。
同形变换，在实数域等价于射影变换：如果平面上的点变换使共线三点的单比不变，并且保持共线四点的交比不变，称此变换为平面上的射影变换。经过射影变换后的图形与原图形相似（也包括全等）是其重要的特性，如下图2所示：
图2同形变换原理示意图
尺度不变特征转换（Scale-invariant feature transform,SIFT）是目前国际上在同形变换方面较成熟有效的应用方法，SIFT里构建尺度空间利用的是高斯函数和原图像迭代卷积。
所以，倾斜多视影像数据的空三匹配的流程可概括为
：
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(1)利用差分高斯尺度空间构建像片的影像金字塔；
(2)在GPS或POS支持下，利用相机参数和像片外方位元素，通过后方交会恢复像片的较精确的姿态和位置；
(3)定位到影像金字塔的最上层，利用同形变换方法基于特征的图像匹配等方法技术自动获取同名像点，并利用区域网平差获取精确外方位元素；
(4)重复(3)的方法，并将结果转换到下级金字塔影像，直至原始影像。
1.3倾斜多视影像数据的联合平差
倾斜多视影像同时包括垂直视角影像和倾斜视角影像，而目前大部分的摄影测量软件仍无法较好地处理倾斜视角影像数据，因此，倾斜多视影像数据的联合平差必须充分考虑影像的几何变形以及影像间的遮挡关系。利用POS系统可以得到倾斜影像的初始化外方位元素，采取金字塔匹配策略，由粗到精逐级进行影像同名点自动匹配和最小二乘匹配方法，保证影像同名点匹配精度与定位精度"⑴。同时，建立POS辅助数
据、控制点、连接点和连接线的倾斜多视影像数据自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算来确保平差精度)
倾斜多视影像数据的区域网平差分为无约束区域网平差和附加约束的区域网平差两种方法)由于计算机处理能力的日渐提高，共线方程未知数的增加已经不是大的问题，而众多的像片重叠及海量的相关性同名像点使得采用人工干预显得不现实，故倾斜多视影像数据空三解算的自动化才是数据处理的优选方案，其间的人工干预越少越好，因此无约束区域网平差方式是倾斜多视影像数据的联合平差的主要方式)
2项目实施
2.1项目概述
获取倾斜多视影像数据航摄范围为某区域，覆盖面积20km2。航摄仪采用AMC580倾斜多视角航空摄影系统，相对航高740m，航摄比例尺为113500，其中垂直镜头地面分辨率为0.08m。AMC580多视角航空照相机系统集成Applanix POS AV510系统，通过POSPac MMS软件后处理获得高精度的定位定向数据。像片控制测量采用网络RTK作业模式进行，光束法局域网平差空中三角测量采用Smart3D Capture(以下简称S3C)软件的AT模块，该模块支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算。
电力宽带
2.2空三精度验证
在控制网野外像控点布设上考虑到本次航摄对于垂直像片，在航向重叠度大于72［，旁向重叠度大于80%，像片的重叠度大，且除垂直影像外，还有数量众多的倾斜影像参与空三。采用了：航线在旁向跨度为4条航线，航向跨度不超过24条基线布设一个平高控制点，考虑到高程精度的控制，在该控制点网的布设基础上，在网间旁向16条航线，航向12条基线加密布设平高点的布设方式。共计转刺外业平高控制点101个，空三处理后共有42735个像对，平均每张像片上提取3926个特征点，平均每张像片有298个连接点，投影中误差为0.469652个像素。平差解算精度控制点平面中误差：0.038m，高程中误差: 0.185，满足1=1000平面测图精度要求，如表1所示：
表1空三平差结果单位:m 类型数量
平面咼程最大平面最大高程
误差误差误差误差
控制点%0%0.0380.850.2240.247
检查点265
陈德宁
0.6%0.7640.482%.786
三维模型数据生产是空三解算的后续流程，生产软件仍然采用S3C，通过对三维模型成果的位置精度等进行了抽样检测，如表2所示：
表2模型精度统计单位:m 类型数量中误差最大平面误差平面精度6540.380.5%
高程精度6720.260.48
地形精度5600.460.75
通过以上技术指标的精度分析，根据倾斜多视影像构建三维模型数据成果进行综合分析和评定，发现模型成果的平面精度和高度精度均可满足1：1000的三维模型成果几何精度要求，但是在地形精度方面还有所欠缺，只能满足1：2000的几何精度要求。实验表明，倾斜视角影像数据的参与解算并未显
著提高航空摄影测量中的地形高程精度。高程精度是由地面分辨率、基高比和像点坐标量测精度决定的，在高程估算上，高
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程精度等于平面精度/基高比，采用AMC580多视角相机系统的垂直相机焦距为55mm，像幅宽度为40.3104mm，像片航向重叠度最小72%, 1(邻片(重叠度72%)的基高比为1=4.873,1、3邻片(重叠度#4%)的基高比为1：1.795。其最佳高程估算值，即平面最小中误差(0.27m)/最大摄影基线的基高比(1：1.795)，也达到了0.485m。由此，高程精度和像片的外方位元素的定位精度、像片的基高比密切相关。高程精度提高，无非是提咼外方位兀素的解算精度或提咼基咼，但这只能通过增加控制点或者选用焦距较短的相机来实现，这必将给外业像控和内业转点都带来巨大工作量，提高数据的获取成本，这些都需要进行综合考虑。
3结束语
针对倾斜多视影像变形大、尺度无法统一及数据重叠度大等问题，运用“同形变换”方法，解决不同相机影像之间的大视角仿射变形问题。本文通过试验，探索了倾斜多视影像数据的空三加密的数据处理方法，并进行数据相应指标的精度验证，从而总结出关于多视角航空摄影数据的空中三角测量技术的作业技术路径和质量控制方法。但缺少对POS数据精度较差情况下的考虑，这也是下一步主要研究的
工作。
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Aerial Triangulation Technology and Accuracy Analysis of房东蒋先生
Tilt Aerial Photography
QIN Yugang1,LI Xiaoshi2
(1.Troops32023,Dalian Liaoning1160#3,China；#.Troops91937,Zhoushan Zhejiang316000,China) Abstract:Aiming at the problem of large dip angle and high overlap of inclined image,this paper analyses the aerial triangulation technology of multi-view image data,and focuses on the mul t i-sensor time synchronizat i o n in the process of mult--view image dat a acquisi t i on,image ma t ching in t h e proces s of processing,and the principle of multi-view dat a join adjus men me hod，andcarriesou heaccuracyverifica ionof hecorrespondingda aindica ors.Combining wi h heexperimen，he echnicalpa handqualiycon rolme hodofaerial riangula ionbasedon mul i-viewimage da aaresummarized.
Keywords:muli-viewimage；aerial riangula ion；il mul i-view image ma ching；combinedadjus men
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