無人機傾斜攝影測量三維建模精度評定及應用

胡軍杰，趙青芬

（1.江西經濟管理干部學院，南昌 330088；2.江西省國土空間調查規劃研究院，南昌 330025）

0 引言

隨著大數據、物聯網、人工智能等技術的發展，當今社會對于數字化的需求也明顯增強。對于城市信息化的建設，如何更好更快的獲取建筑實體三維數據模型和模型精度都是智慧城市首當其沖的問題。傾斜攝影測量有別于傳統的測繪技術之處就是能同時獲取實體三維坐標和表面圖像，也隨著目前三維建模軟件的自動化程度和算法精度的逐漸成熟和對硬件設施逐漸降低，使得工作人員對使用無人機傾斜攝影測量技術采集的影像數據可以很方便的完成實景三維建模，對于模型精度分析的研究也就成為當前該技術的一個比較熱門的研究方向。

大疆精靈Phantom 4 RTK無人機，是一款具備厘米級導航定位的小型多旋翼高精度低空航測無人機，操作方便，成本低廉，能在飛行時獲取實時圖像、位置等信息，構建可量測的3D地圖，在航空影像數據的采集方面越來越受測繪行業用戶重視[1-5]。

1 試驗精度評定

本試驗是使用大疆Phantom 4 RTK無人機對江西經濟管理干部學院航空大樓進行傾斜攝影測量，使用南方測繪銀河1 plus獲取像控點三維坐標，基于Context Capture完成三維建模并提起特征點數據，并使用南方NTS330進行實地測量。通過實測數據和模型量測數據進行對比分析來檢驗成果精度（圖1）。

圖1 技術路線圖

（1）航線規劃與像控點

根據航空攝影測量相關規范，本次測區航線規劃飛行高度100 m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，對測區進行了多視影像采集，共采集照片805張。為確保飛行安全和數據質量，航飛計劃一般選擇無風晴朗天氣的10：00-16：00區間進行。本次試驗于2021年3月29日下午2：30-3：30進行作業。

航線規劃使用的是精靈 Phantom 4 RTK自帶屏遙控器內置的GS RTK App，圖2為此次試驗航線規劃，采用的是攝影測量3D（五向飛行）模式來進行單鏡頭傾斜攝影測量數據采集。

圖 2 航線規劃圖

本測區采用CGCS2000坐標系統，高斯三度帶投影，中央子午線為117°，高程系統為1985高程。飛行前在測區范圍內使用油漆預先鋪設像控點，個數為4個，均勻的分散在測區的四角。使用RTK對4個像控點分別進行10次平滑采集，用于影像位置的糾正和控制。表1為采集的4個控制點坐標。

表1 像控點坐標

（2）結果與分析

對采集的805張照片進行目視檢查，圖片清晰度都很好，不需要進行部分刪除。然后利用ContextCapture和4個像控點完成三維建模，圖3是研究區傾斜攝影測量成果圖。

圖3 傾斜攝影測量成果

為了對比分析實物與模型的點位精度，本文分別對實物和模型分別選取30個同名特征點。實物測量為南方全站儀NTS330免棱鏡模式測量，模型測量為ContextCaptureViewer軟件上選點測量。精度分析指標：X方向中誤差、Y方向中誤差、平面中誤差和高程中誤差[6-8]，特征點精度統計見表2。

表2 特征點精度統計表（單位為m）

由表1可知坐標增量Δx中誤差值為0.033 m；Δy中誤差值為0.028 m；平面中誤差值為0.044 m；高程中誤差值為0.035 m，檢查點計算結果符合國家《三維地理信息模型數據產品規范》中Ⅰ級1∶500（檢查點平面和高程最大限值分別為0.3 m和0.75 m）[9]相關要求，且質量較好。參照國家1∶500航空攝影測量規范要求（平面精度中誤差±0.18 m，高程誤差±0.22 m）[10-11]，無人機傾斜攝影測量也適合小區域測繪大比例尺地形圖。

2 工程應用

（1）基于傾斜模型的土石方量測算

本項目區位于永修縣云山鎮境內，任務是獲取該縣一廢棄礦山區剩余礦渣土石方量的總值。雖然場地上原本覆蓋的林木已基本被清除，但山體土質疏松不便于行走，不方便用傳統的RTK進行測量，所以上海弘縝為業主推薦了更先進的無人機測繪技術來實施土方測量。本次工作采用大疆精靈4RTK對測區分布7個地塊進行傾斜三維模型采集，得到現場真實的三維場景。根據傾斜三維模型及外業實際測量高程點成果，獲取每個地塊的覆蓋表面積，結合現場評估的礦渣深度，得到每個地塊的土石方總量，結合各個地塊的土石占比情況，最終得到該項目礦石的方量為31 090.24 m3。

與常規的測算方式相比較，此次利用傾斜三維建模技術有以下幾個優勢：一是工作效率高、外業耗時短；二是測量精度高，現場符合度高；三是勞動強度小，作業員安全系數好，工作體驗感優越；四是項目成果豐富、除了土方量計算成果，還可生成制作DSM、三維模型、正射影像鑲嵌圖等圖件，這些成果對項目的監督復核具有很大的參考價值。

（2）基于傾斜模型的沿街立面測量

本項目是對南昌縣黃馬鄉集鎮的三條主干道沿街立面數據采集來獲取立面面積工程量。使用大疆精靈4RTK對測區進行傾斜攝影測量，通過ContextCapture和DPModeler兩款軟件實現三維建模與立面測圖。基于傾斜攝影測量技術的建筑物立面圖制作流程，并將立面圖制作成果與傳統全站儀測量結果進行對比分析，總結出傾斜攝影測量技術運用在該項目上優勢：傾斜攝影測量技術以大范圍、多角度、高清晰的方式感知真實場景，改變了傳統攝影測量只能從垂直視角拍攝的局限性，具有更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，能更好的助力老舊小區改造項目中對于沿街立面數據采集的新要求。

3 結語

試驗表明使用大疆Phantom 4 RTK無人機采集多視影像數據建立的實景三維模型精度確實可以達到國家《三維地理信息模型數據產品規范》中Ⅰ級1∶500相關要求和1∶500航空攝影測量規范要求，無人機傾斜攝影測量也適合小區域測繪大比例尺地形圖。通過實際工程案例也可以看出，相比于傳統的的測量方式，無人機傾斜攝影測量不管在測量效率上還是在用戶體驗感上，都較常規測量更加高效、更加真實，對于城市信息模型的建設將可以提供非常適時、高質量的數據支撐。