小區域消費級無人機傾斜攝影像控點布設及建模精度研究

桑文剛，李 娜，韓 峰，趙培華，李玉斌

(1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101)

近年來，隨著智慧城市、智慧校園建設的蓬勃發展，對于街區、校園尺度的小區域實景三維建模需求日益提高。而無人機傾斜攝影測量技術的出現，為以上建設項目的開展提供了一條較優解決方案。尤其是近年來利用大疆等消費級無人機搭載單鏡頭獲取小區域范圍影像數據進行實景三維建模，以其經濟性、靈活性、實用性等優點，在該領域展現出巨大的應用潛力。像控點布設作為傾斜攝影三維模型構建的重要環節，直接決定后期三維模型的精度，早期研究及相關規范多針對于傳統航空攝影，對于此類低空無人機傾斜攝影并沒有明確規定，傳統的攝影測量布點方式也無法完全適用于無人機傾斜攝影測量。因此，在實際生產應用中需要對無人機傾斜攝影測量像控點的布設方式進行探討。

文獻[1]提出了基于傾斜攝影測量技術構建實景三維模型的方法，并對三維模型精度進行評估。文獻[2]通過6種像控點布設方案進行對比分析，得出四周均勻布點、內部少量布點的方案空三精度最高。文獻[3]通過對無人機航空攝影像控點布設方法的探討，對數字正射影像進行精度分析，總結出適合1∶1000和1∶2000數字正射影像圖的像控點布設方案。文獻[4]通過設計9個不同等級的像控點布設方案，分析了特殊區域像控點個數對成圖精度的影響。在多項研究中，針對校園類小區域范圍的相關研究較少。本文根據諸多學者的研究，結合校園實際情況，提出利用消費級單鏡頭多旋翼無人機航測技術裝備，獲取校園小范圍區域航片數據作為詳細研究對象，采用不同像控點布設方案制作出不同的三維模型成果，驗證不同成果之間的精度差異，最終總結出符合街區、校園尺度的小區域三維模型精度的合理的像控點布設模式，從而提高基于無人機傾斜攝影構建三維模型的整體工作效率及精度。

1 像控點布設原則及三維模型精度指標

1.1 布設原則

像控點的布設方式與數量直接決定后續成果的精度，并使成果具有真實的地理坐標。像控點的選擇和布設需遵循一定的原則，通常根據地形條件、攝影資料及信息處理方法的不同，布設方案也要作相應調整。像控點的布設原則具體如下[5]：

(1)像控點一般根據測區范圍統一布點，應均勻、立體的布設在測區范圍內。

(2)布設在同一位置的像控點應聯測成平高點。

(3)像控點點位的分布應避免形成近似直線。

(4)應盡量在像控點處布設地面標志，或選擇明顯目標點處，便于辨別以提高刺點的精度，增強像控點的可靠性。

(5)像控點布設結束后應盡量進行拍照記錄，便于后續內業刺點工作。

1.2 三維模型的精度評定標準

三維模型的成果精度主要取決于像控點的布設方式與數量，其精度評定標準由中華人民共和國測繪行業標準中的《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)[6]規定，本文采用該標準檢驗三維模型的精度是否符合要求，平面和高程的精度要求見表1、表2。

表1 《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中的平面精度

表2 《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中的高程精度

2 無人機傾斜攝影像控點的布設

基于上述的像控點布設原則，充分考慮測區內地形及所需的成果數據，本文選取校園典型小區域作為試驗區，并考慮多種因素設計了不同的像控點布設方案，驗證其布設方式對模型成果精度的影響。

2.1 測區概況及數據采集

本次試驗主要選取山東建筑大學典型區域，試驗區域面積約0.12 km2，使用消費級單鏡頭多旋翼無人機進行低空傾斜攝影，在所測區域分別進行下視影像和傾斜影像的采集，共采集像片1122張，試驗區域航攝參數見表3。

表3 試驗區域航攝參數

2.2 像控點布設方案

無人機航拍獲取的影像具有像幅小、基線短、重疊度大等特點，本次無人機航飛數據主要是制作三維模型成果，綜合考慮外業像控點布設方式及內業空三加密精度，重點探討不同的像控點布設方案[7-9]對三維模型成果精度的影響。

本次試驗綜合考慮了測區范圍、地形及建筑物密集程度等因素，設計了4種像控點布設方案。

(1)邊緣平高設控(圖1(a))：僅在測區邊緣和角點布設4個平高控制點，評定邊角設控對模型精度的影響。

(2)中心平高設控(圖1(b))：僅在測區中心布設4個平高控制點，評定中心設控對模型精度的影響。

(3)全面平高設控(圖1(c))：在測區邊角和中心均布設平高控制點，評定全面設控對模型精度的影響。

(4)邊緣平高、中心高程設控(圖1(d))：在測區邊角設置平高控制點，測區中心設置高程控制點，評定該方案對模型精度的影響。由于高程控制點的計算量和布設成本低于平高控制點，該方案用來考察像控點布設的經濟性和實用性。

像控點布設方式是影響三維場景整體精度的主要因素，本文將不同像控點布設方案參與的空三加密成果引入到三維模型重建中，得到4個不同的整體三維模型。為了后續模型精度評估，還需布設相應的檢查點，檢查點的布設與量測主要是評價最終成果的精度，本文采取高精度RTK技術測量90個特征點作為檢查點，分別在4個三維模型中提取相同特征點的坐標，通過精度對比分析得到符合校園典型區域的合理像控點布設方式。

2.3 三維模型的構建

本文主要基于無人機傾斜攝影構建非單體化三維模型，通過不同的像控點布設方案進行空三加密處理及三維模型構建得到相應的三維模型成果。整體三維模型如圖2所示，分別在4個方案得到的三維模型中量測90個檢查點的三維坐標并記錄，經過相應的計算，得到不同模型成果的精度指標，通過對比分析驗證不同像控點布設方式對模型成果精度的影響。

3 試驗結果統計及分析

本文設計了4種像控點布設方案，將不同像控點布設方案參與的空三加密成果引入到構建三維模型過程中，得到各自的模型成果。為了檢測傾斜攝影測量重建三維模型的精度，利用RTK在試驗區實地量測90個特征點的坐標作為檢查點，記錄為CGCS2000坐標，在軟件中量測每個檢查點對應的4個三維模型中的坐標，同樣記錄為CGCS2000坐標。將RTK量測的三維坐標作為檢查點的真值，將軟件量測的三維坐標作為檢查點的觀測值，通過計算分別得到X、Y、Z3個方向的真誤差，并由中誤差計算公式分別得到4個三維模型X、Y、Z3個方向的中誤差，計算公式為

(1)

(2)

(3)

根據X方向、Y方向的中誤差分別計算得到不同模型的平面中誤差，計算公式為

(4)

結果見表4。

表4 三維模型的中誤差

由表4可知4種布設方案對應的建模精度中，平面中誤差最大為0.089 7 m，高程中誤差最大為0.060 3 m，完全滿足《三維地理信息模型數據產品規范》中對于Ⅰ級產品的要求，但不同的像控點布設方案參與構建的三維模型精度有所差異。從表4數據可以看出，方案3全面平高設控構建的三維模型平面及高程精度最優；方案4邊緣平高、中心高程設控構建的三維模型平面及高程精度次之；方案2中心平高設控構建的三維模型平面及高程精度最差。可見不同像控點的分布對模型的精度影響較為明顯。在高程方面，通過圖3可知方案2采用中心平高設控比其他3種方案對測區高程的精度控制較弱，采用全面均勻布控有利于測區整體精度的提高，但存在成本高，效率低等問題。因此，在項目生產中可進一步融入成本、工作及計算效率等多種因素，選擇邊緣平高設控，中心高程設控的布設方案，并加以優化，既能保證項目成果的精度，又能提高整體的工作效率。

4 結 語

本文針對街區、校園尺度的小范圍區域，利用消費級多旋翼無人機搭載單鏡頭，重點研究了不同像控點布設策略對三維實景建模精度的影響，并選擇典型校園區域提出了4種不同布設方案，進行影像的采集與數據處理，并對不同方案對應三維模型平面及高程精度加以對比分析。雖然4種像控點布設方案得到的三維模型平面中誤差最大為0.089 7 m，高程中誤差最大為0.060 3 m，其精度均符合《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中Ⅰ級產品的要求，但其精度分布受到像控點分布和數量影響較為明顯。為了降低操作難度與生產成本，提高工作效率，可選擇邊緣平高設控，中心高程設控的基本布點方式，并在像控點數量及布設方式上進行合理增加及優化，以達到相應的精度指標。