霾對傾斜攝影測量精度的影響及其消弱方法探討

劉 超,王翠欣

(1.河北省科學院地理科學研究所,河北省地理信息開發應用技術創新中心,河北 石家莊 050011;2.河北省第三測繪院,河北 石家莊 050031)

0 引言

傾斜攝影技術是近年來測繪遙感領域發展起來的一項高新技術,通過從不同角度和方向對目標進行拍攝,獲取目標表面更加完整和精細的信息[1]?；趦A斜攝影的實景三維數據產品的出現,改變了以人工構建為主,計算機輔助制作三維模型的局面,用戶擁有更豐富、合理的選擇。與傳統方法相比,利用傾斜攝影技術生產三維模型數據真實客觀地實現了對現實世界的三維數字化表達,已廣泛地應用于城市建設與規劃項目[2-5]、各種工程建設[6,7]、自然資源監測[8,9]等領域。隨著攝影測量技術與計算機軟硬件的飛速發展,近年來傾斜攝影在空三加密、立體相對的建立與采集及點云與TIN網的優化等方面得到了長足發展[1-3,10,11]。

基于傾斜攝影測量的實景三維數據具有糾錯能力強、空間精度高、還原實景逼真、應用廣泛等諸多優勢,與此同時,亦具有觀察角度有限、分辨率過低、受大氣狀況影響較大、受動態物體干擾等弊端。因此,本文分析了霾對傾斜攝影測量的影響,并提出消弱霾影響的傾斜攝影實景三維重建方案,研究結果有利于提高實景三維數據產品質量,促進實景三維重建技術在我國社會、經濟發展中的推廣與應用[1-3,12,13]。

1 霾對傾斜攝影測量的影響

基于傾斜攝影的實景三維數據生產對天氣條件要求較高。航空攝影是攝影機被動地接受地面物體的反射光,涉及兩大主要因素:距離和散射。距離是指航攝儀與被攝物體間的距離,是太陽光進入大氣層后照射在被攝物體的距離。單從距離的角度來看,航攝儀所收集的反射光線被削弱了兩次。在天氣晴好和空氣質量優良的狀況下,兩次削弱可以忽略不計。霾是一種嚴重的大氣污染現象,是空氣中含有超標的懸浮顆粒,導致大氣出現的渾濁狀況,會對視線造成不同程度的影響,因此,霾會影響傾斜攝影的影像質量[14]。

2 消弱霾影響的方法

傾斜攝影數字影像的質量隨著光線在霾中穿行距離減少而提高。因此縮短光線在霾中的穿行距離將會有效提高數字影像的質量。

2.1 傾斜攝影限制因素與變量分析

傾斜攝影主要限制因素包括巡航速度和最小曝光間隔。巡航速度是基于安全飛行速度的參考值,直接關系到航攝人員和航攝區域的地面安全;最小曝光間隔是指傾斜攝影數據存儲的最小間隔,如果曝光時間間隔小于最小曝光間隔,則會出現影像存儲失敗的情況,會導致傾斜攝影失敗[14-16]。因此,在已確定巡航速度和最小曝光間隔的基礎上,航攝飛行高度與焦距是傾斜攝影的兩個關鍵變量。

飛行器巡航速度與航攝儀相鄰影像的曝光間隔確定傾斜攝影的下視影像基線長度。其存在如下關系:

Bline=s×t

(1)

式中:Bline為下視影像的基線,s為巡航速度,t為最短曝光間隔。則下視影像地面分辨率如下:

(2)

式中:l為下視影像的地面分辨率,b為下視影像的像幅寬,d為下視影像的航向重疊度。

限制因素與相對航高、焦距兩變量的關系如公式(3):

f/H=r/l

(3)

式中:r為下視影像的影像分辨率,f為下視影像的焦距,H為相對航高。

將式(1)、式(2)代入式(3)可得:

(4)

由公式(4)可知,在飛行速度與航向重疊度不變的條件下,傾斜攝影的飛行高度與航攝儀焦距的調整成正比,降低飛航高度便于脫離霾所在區域高度,因此降低飛行高度的同時縮短航攝儀下視焦距可以消弱霾對傾斜攝影的影響。

2.2 縮短焦距對傾斜攝影測量的影響分析

經實驗分析,航攝儀下視焦距可以由80 mm調整為50 mm,同時為保證斜視影像與下視影像的地面分辨率相近,將斜視鏡頭由100 mm調整為80 mm定焦鏡頭,相對飛航高度由1100 m調整為530 m,即在相對航高減少約50%基礎上,影像下視地面分辨率提高約23%,見表1。

表1 傾斜攝影改進方案參數表

2.3 降低相對航高對斜視點云的影響分析

航攝儀斜視鏡頭用于獲取地面物體的側面紋理特征。由于斜視鏡頭影像投影差的影響,被投影差遮擋的地面紋理的面積被擴大,如圖1所示。

注:O為曝光點中心,R為曝光點中心的地面投影點,T為房屋近角,Q為房屋近角T的地面投影點,N為房屋近角在斜視影像的地面投影點,S為房屋遠角,P為房屋遠角S的地面投影點,M為房屋遠角在斜視影像的地面投影點,X為房屋甲對房屋乙遮擋的臨界點,Y未乙房屋近角地面投影點,A+I為房屋側面在斜視影像的地面投影,e為房屋甲對房屋乙的遮擋高度,C為S點在水平平面的投影到Y點的距離,D為房屋甲、乙的樓間距。圖1 傾斜角度的遮擋示意圖

①當相對航高H降低,地面分辨率不變時,房屋側面在斜視影像的地面投影(A+I)的變化趨勢。由圖1中相似三角形△NTQ和△NOR推導可知:

(5)

式中:A為房頂近角端地面投影,h為房高,L為房屋距離航攝中心投影長度,H為相對航高,I為房頂寬度。

隨著H的降低,房屋側面在影像的投影會逐漸增大,所提供側面紋理的像素也就越豐富。H下降,h、L不變,A+I將會有所增加。

②當相對航高H降低,地面分辨率不變時,能夠獲得房屋頂部在斜視影像的地面投影B的變化趨向。由相似三角形△MSP和△MOR推導可知:

(6)

隨著H的降低,房屋頂部B在影像的投影會逐漸增大,側面紋理就越豐富。

綜上,隨著航高的降低,反映建筑側面紋理的像素會大量增加,點云密度會隨之增加,對建筑物側面的表現力會更加細致。

③當相對航高H降低,地面分辨率不變時,房屋甲對房屋乙的遮擋變化趨勢。設 ∠XMN=∠SMP=∠a,由相似三角形△MXN與△MSP推導可知:

e=C×tana=h-D×tana

(7)

隨H的降低,甲建筑對乙建筑的遮擋高度e會增加。以SWDC-5的斜視相機為例,相機取景角度約17.0°,相機主軸與地面夾角為45.0°,那么斜視相機取景的地面夾角約為36.5°～53.5°。D、h為固定值,當甲建筑對乙建筑存在遮擋時,結合式(5)、式(6)可知:

0≤h-1.35D≤e≤h-0.74D

(8)

當甲建筑頂部處于影像邊緣時,e達到極大值,此時乙建筑無法在該影像中出現,也就不存在遮擋;當1.35D

2.4 降低相對航高對下視點云的影響分析

在傾斜攝影中,下視點云著重表現地面紋理和建筑物的頂部紋理,而地面紋理主要來源于下視點云,斜視點云由于存在投影差,所以往往連建筑物側面的近地部分也難以體現[17]。由圖1和式(6)可知,在斜視影像中隨著航高的降低,建筑物的投影變大,對地面遮擋的部分隨之增大;該情況在下視影像中同樣存在,不同的是,由于下視相機拍攝角度的不同,建筑物的投影普遍偏小,如圖2所示。

注:H′、H分別為降低前、后的航高,T′、T分別為航高降低前、后房屋甲的地面投影,為航高降低后房屋甲的地面投影,L為房屋近端與像主點距離,L′為房屋中心到像主點距離(L′=L+I/2),影像分辨率為0.006 mm,影像像幅為6 132×8 176 像素。圖2 建筑物地面遮擋情況

根據圖1、圖2,式(5)、式(6)可以推導出:

(9)

(10)

代入數值得:0.03 m≤T′≤64 m,0.05 m≤T≤144 m。

比較T與T′可知,隨著相對航高的降低,建筑的遮擋范圍會大幅度增加;同時由于旁向基線長度約為170 m,與最大遮擋長度相近,此時遮擋可以由相鄰航線和相鄰影像進行補償。

綜上所述,降低相對航高對地物紋理獲取的影響主要包括:①降低相對航高能夠提高斜視影像中建筑物的側面紋理的信息量[16]。②相對航高的降低帶來建筑物間的遮擋,但對于低層建筑,其遮擋可忽略,對于高層建筑,其遮擋部分可以通過旁向航線或其他方式進行補償。③在地面分辨率不變的條件下,雖然降低航高能夠提高下視影像的高程精度,但是對于地面紋理的提取仍有一定的不利影響,但這些不利影響對實景三維數據產品的外觀效果與應用并不明顯。

3 傾斜攝影實景三維重建實例驗證

3.1 實景三維數據生產流程

空三加密是傾斜攝影三維重建的一個重要環節,其質量決定三維模型的數學精度[12]。以街景工廠為例的生產流程如圖3所示。

圖3 實景三維數據生產流程圖

3.2 實驗參數與數據分析

采用運5、SWDC-5為航攝器具,選取石家莊槐安路部分區域作為驗證區。區域大氣狀況、傾斜航空攝影基本參數見表2、表3。實驗采用前后兩期大氣狀況相近的影像(圖4)進行對比分析與驗證。

圖4 影像質量整體對比

表2 兩次傾斜航空攝影大氣狀況

表3 兩次傾斜航空攝影基本參數

將兩次獲取原始影像整體進行對比(圖4)可見,第一次(改進前)影像略顯粗糙,色彩偏藍,影像色階分布不均勻,第二次(改進后)影像色彩柔和,信息豐富,色階分布均勻,但整體反差較小,第二次影像質量比第一次影像質量更優。

3.3 實景三維數據產品對比

圖5實景三維數據產品在橋面上色彩斑斕、雜亂無章,但紋理的空間邏輯性尚好。由于大氣污染的影響,為了提高實景三維數據產品的觀賞性,嘗試性的對所有原始影像進行了勻色和增強的處理,調整后的影像用于點云、紋理的提取。該處反映出空三加密、點云提取TIN網優化環節符合基本要求,達到了空間精度基本準確的程度,而由于大氣污染所帶來的色彩反差則沒有因為后期的影像調整而改善。圖6影像雖然在相近的大氣污染指數下獲取,但由于降低航高、相機焦距縮短,有效地降低了大氣污染的影響,使得橋面色彩過渡比較自然。

圖5 第一次(改進前)傾斜航空攝影實景三維數據產品效果圖及白模效果圖

圖6 第二次(改進后)傾斜航空攝影實景三維數據產品效果圖及白模效果圖

圖5實景三維數據產品中柵欄的扭曲反映出TIN網的精度不高的問題,直接導致了在TIN網優化過程中,由于點云過于分散而無法明細每個點的正確與否,最終導致柵欄的TIN網不能筆直,而圖6影像中的柵欄較好的還原了現實,柵欄與路面的空間特征更為明細、準確。

圖5實景三維數據產品中的隔離帶扭曲變形,紋理錯位,說明該處空三加密存在缺陷。造成這一缺陷的主要原因是由于大氣污染導致原始影像在該處的紋理模糊不清,使得空三加密部分原始影像的外方位元素結算不準確,進而影響到點云匹配、TIN網優化等關鍵環節。而圖6的則明顯改善了這一情況。

由此可知,在大氣污染指數相近的狀況下,圖6的實景三維數據產品與圖5相比從紋理效果、從TIN網的光滑程度、空間精度等方面都有了較大的改善,其產品質量均已達到設計規范。

4 結 語

本文探討了如何有效地降低霾對傾斜攝影測量精度的影響。通過對傾斜攝影航攝特點的分析,提出了縮短航攝儀焦距、降低相對航高的航攝方案的可行性,并對相同區域、不同大氣污染程度的兩次實景三維數據產品進行對比驗證,取得了較好的驗證效果。