1∶1000固定翼無人機傾斜攝影建模精度分析

馮雅秀 朱蘭艷 龔緒才

摘 要：無人機傾斜攝影測量技術近年來已被廣泛運用于數字城市建設和應急救災行業中。為研究三維模型在快速構建過程中的真實性和準確性，以1∶1 000大比例尺三維傾斜模型構建及對其精度的評估為目的，采用固定翼無人機作為航測平臺，搭載3鏡頭數碼相機，簡要探討了傾斜攝影的關鍵技術，總結了基于無人機傾斜攝影的數據采集和處理流程，并著重對相應數據成果進行了精度分析。實驗結果表明，各項精度均能滿足1∶1 000大比例尺航測內業規范要求。該方法能有效反映真實的地物地貌，大大提高了生產效率，對相關應用具有一定指導意義。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；航線布設；三維建模；精度評估

DOI：10.11907/rjdk.172593

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0205-04

Abstract：Unmanned aerial vehicle （UAV） oblique photography technology has been widely used in digital city construction and emergency relief in recent years. In order to study the authenticity and accuracy of 3D modeling in the rapid construction process， with the purpose of oblique 3D modeling at large-scale of 1∶1 000 and its accuracy evaluation， this paper uses a fixed-wing UAV as aerial platform equipped with an 3-lens digital camera for data capture， then it presents the key technology of oblique photography. Based on UAV oblique photography， this paper first summarizes the data acquisition and data processing workflow， then focuses on the evaluation the accuracy of the 3D model. Results show that the accuracy can satisfy specifications for office operation of low-altitude digital aerophotogrammetry at large-scale of 1∶1 000， and we can draw the conclusion that it can show the landform factually and effectively under the precondition of accuracy requirements， which increas production efficiency and plays an important role on directing the practical work.

Key Words：UAV； oblique photography； flight route； 3D modeling； accuracy evaluation

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，傳統的攝影測量[1]技術因不能全方位感知場景和重建模型而無法滿足當前城市發展的需要。因此，傾斜攝影測量[2]技術憑借其多角度、大范圍、高精度、高清晰等優勢成為近年來國際上發展十分迅速的一項測量技術。該技術對于智慧城市的發展起著重要推動，其提供的一系列地物信息，可以構建三維城市模型，從而為城市的智能化管理提供便利條件。該技術從1個垂直、4個傾斜的不同視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理，生成真實的三維城市模型[3]。傾斜攝影測量技術應用范圍相當廣，可以延伸到生活中的方方面面，例如：政府方面的基礎測繪、公共安全、執法行動、規劃發展、消防；公共事業方面的災害評估、環保、緊急救助；企業方面的保險、房地產；公眾方面的位置服務、互聯網應用、旅游等。

1 無人機傾斜攝影技術流程

無人機傾斜攝影生成實景三維模型的技術流程主要包括：外業數據采集、像控點布設與量測、數據預處理、傾斜影像空中三角測量、傾斜影像密集匹配、點云生成、TIN三角網構建與三維建模[3-7]等幾部分，具體流程如圖1所示。

2 應用實例

2.1 測區概況

本文以撫仙湖北片區為研究對象，研究區域航拍面積約4km2，高程在1 723～1 728m之間，研究區域概況如圖2所示。

2.2 外業數據獲取

2.2.1 影像采集

本次試驗采用固定翼無人機飛行平臺搭載北京數維翔圖的3鏡頭傾斜相機，獲取試驗區傾斜影像。相機的3個鏡頭已經過室內檢校場檢校，其主要參數如表1所示。

本次試驗共計飛行2個架次，有效像片10 328張，影像清晰度及拼接度較好，但仍有少許云影，部分水面有反光。

2.2.2 航線布設

由于受測區地形環境、雨季、空管等諸多因素限制，研究區域航拍測繪項目實際飛行2個有效架次。航線設計如圖3所示。

該架次內航線敷設采用多方向與變高飛行設計[8]，相鄰處都確保了比較充足的重疊區域。該航線基本技術參數如表2所示。

2.2.3 像控點布設與施測

本次航飛像控點布設采用區域網布點法[9]，航向布設于旁向重疊區域的中線附近，綜合考慮交通條件、地面目標判讀條件、航線形狀，使測區周邊盡可能布設點位。本次航飛外業實測45個像控點，投影采用高斯-克呂格3°帶投影，中央子午線為東經102°（34帶），其精度滿足1∶1 000大比例尺成圖要求。像控點布設如圖4所示。

2.3 內業數據處理

該研究區域內業處理過程采用Bentley ContextCapture軟件：①數據預處理包括原始影像導入、像控點文件與相機校驗參數導入、航帶導入及工程各項參數設置等制作；②采用光束法區域網進行傾斜影像空中三角測量控制點加密[10]；③在完成傾斜影像空中三角測量并符合精度要求的基礎上，通過在密集匹配[11]處理過程中應用特征匹配策略，快速、高可靠性地匹配密集DSM（數字表面模型）點云；④生成DSM后，在多視匹配過程中記錄同名像點及其與地面的可視對應關系，根據可視糾正過程中的記錄結果，選取地面點在影像上的最佳像素進行灰度重采樣，最后以像素為單位組合生成真正射影像及傾斜三維模型[12-13]。其部分成果如圖5所示。

3 數據成果精度分析

3.1 傾斜影像空三精度

為提高模型定位精度，在建模前對傾斜影像空三匹配結果進行精度分析[14-15]。在該研究區域內選取17個控制點和23個檢查點，其精度如表3、表4所示。

如表3、表4所示，研究區域傾斜影像空三控制點平面中誤差為±0.10m，平面最大誤差為±0.16m，高程中誤差為±0.09m，高程最大誤差為±0.22m；檢查點平面中誤差為±0.14m，平面最大誤差為±0.27m，高程中誤差為±0.12m，高程最大誤差為±0.29m。滿足CH/Z 3003—2010《低空數字航空攝影測量內業規范》對空三加密成果的精度要求。

3.2 模型精度分析

借助于RTK在測區外業實地測量的刺點片，讀出13個檢查點在模型上的坐標。然后與該點的實際坐標作對比，進行精度評估，結果如表5、表6所示。

由表5、表6可知，經13個檢查點在模型上的坐標與該點的實際坐標對比后得出，其在X、Y、Z方向上的中誤差分別為±0.125m、±0115m、±0.06m，即平面中誤差為±0.170m，高程中誤差為±0.06m。

為進一步評估模型的高程精度，在模型上選取兩個平坦區域進行精度分析。在兩個區域內分別隨機選取40個檢查點，統計這些檢查點的高程波動情況分析模型精度。兩個區域的高程數值統計如表7所示。

如圖6、圖7所示，區域一和區域二的DSM高程波動較穩定，隨機選取的檢查點高程差精度均小于15cm，滿足1∶1 000比例尺成圖精度要求。

4 結語

本文基于固定翼無人機三維傾斜模型的構建，簡要描述了傾斜攝影的關鍵技術。實驗表明，利用Bentley ContextCapture軟件處理非量測型數碼相機采集的傾斜影像，快速生成研究區域的三維模型，能夠反映真實的地物地貌，提高數據處理的自動化程度，大大提高了生產效率。傾斜影像空三加密精度和生成的模型精度能夠滿足1∶1 000大比例尺航測內業規范要求，滿足測繪行業對于其成果的需求。但由于飛行姿態不穩定、畸變較大等因素，使人工干預的工作量增大，且模型的地面區域存在部分遮擋，導致地面較低處的模型質量欠佳，相關問題需要在后續研究中進一步探討。

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（責任編輯：黃 健）