基于免像控的公路傾斜攝影模型精度分析

曾慶桓

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430000)

免像控能有效減輕外業工作的繁瑣程度，但具有實景模型精度較低的缺點。公路的實景建模在國內外屢見不鮮，但受制于路上車輛的影響，且公路“帶”狀特點極其明顯，實現高精度免像控技術尤為艱難。因此急需一種通用方法完成“帶”狀構筑物的高精度免像控實景建模。

一、實景三維重建技術

（一）航測基本原理

通過無人機航測獲得序列像片，篩選所獲得的影像并剔除基線過長的像片，如式1所示，在空中還原樣片平面中的點，如式2所示，然后通過多張像片的空三匹配可得到網格模型。

其中，B為基線長度；Lx為像片寬度；m為平均像元的地面影像分辨率；q為航向重疊度

（二）單鏡頭無人機高效影像采集關鍵技術

傳統單鏡無人機航拍受軟件規劃限制，利用五視(前視、后視、左視、右視、下視)拍攝原則通常需要執行5個飛行任務。相比五鏡頭無人機采集效率低且受電池運行時長影響較大的缺點，研究發現單鏡頭無人機多圓區域環飛方式通過設置單圓拍攝數量n和相鄰圓重疊率p及相機角度q，能有效改善傳統單鏡頭影像采集效率，以少數影片從多視角方向獲取地面的豐富數據。

（三）顧及曝光延遲的區域網平差技術

要實現免像控的基本原則需要控制像片偏移、曝光延遲、漂移等會影像平差算法的因素，因此需要建立顧及曝光延遲區域網平差模型來適應經濟型單鏡頭無人機，而傳統光束法局限于高端無人機配置問題，經濟性較差。

二、實驗方案測區

（一）試驗區及設備介紹

以某學校的主干道路為例，測區長度700m、寬度為12.5m，道路的兩側分布了人工湖，在一定程度上符合公路周邊分布特點。航測設備為大疆精靈4RTK，分別以兩種形式來完成測區道路的實景建模。之后通過驗證道路中心線、檢查點中誤差、地面影像分辨率，論證2種形式的精度，用于實際項目的應用模式論證。

（二）試驗流程及參數介紹

在測區分別執行傳統五架次和環繞航線規劃任務。

傳統五架次：通過設置飛控參數對所拍攝區域（前視、后視、左視、右視、下視）取景往往存在一些問題。例如，由于采用的設備是經濟型無人機，飛行時間受規范限制。在正射任務完成后，執行4個角度的傾斜拍攝。飛行設置參數分別為航向重疊率70%、旁向重疊率60%、航高120m、傾斜角45°。

區域環飛：能快速減少無人機拍攝的照片，同時不失質量地完成目標物重建工作。與傳統五架次相比能縮短時間，有效避免數據量的沉余。區域環飛可通過設置圓半徑和方向數完成重疊區域的航線規劃。參數為航高120m、圓半徑78m、傾斜角45°、單圓方向數30，即以單圓圓心為對焦點，繞圓拍攝的照片以45°傾斜向下取景。

（三）試驗結果對比

1.采集數據對比

通過五架次和區域環飛采集方式的數據對比可知，區域環飛的飛行時長比五架次節省39.5%，覆蓋面積更大，且采集照片數量少于五架次，地面影像分辨率為3.5cm/pix。

2.免像控精度誤差分析

通過TIN網格模型找到檢查點點位分析中誤差，分析結果如表1和表2所示。其中代表區域環飛的點位。通過計算可知中誤差小于

表1 五架次檢查點中誤差分析表

表2 區域環飛檢查點中誤差分析表

3.試驗小結

在飛行時間效率上區域環飛方式節省了39.5%的時間，均采用了免像控的方式建模，對比檢查點的中誤差、空間偏移值都符合高精度的實景建模精度。數據對比發現，區域環飛的方式針對“帶狀”特點的構筑物具有明顯優勢，且能有效提高照片的利用率，從而使免像控的方式能夠普遍應用。

三、實際項目應用

（一）數據采集區域介紹

以某山區高速公路為主體，其包含2個高速互通區域，全線長9.7km，高度落差最大為35m。由于公路相對于房屋建筑屬于“帶狀”構筑物，傾斜攝影建模難道較大。建模目的是，為新路老路互通導改的BIM項目建立實景三維模型，高精度的實景道路模型可借助模型經緯坐標實現BIM模型的基準定位，且能補充周邊環境模型，從而有助于BIM項目進一步推進實現“BIM+GIS”平臺融合。

（二）采集方案比選

公路多為帶狀構筑物，長度長且寬度窄。在航線設計時，可能導致重疊度指標過大，前方交匯點坐標的高程誤差增加，從而降低平面精度。環繞弧形交叉航線，需要先剔除基線過短的情況，避免高程失鎖，從而彌補傳統五架次飛行的缺點，在一定程度上可以提高拍照效率。

（三）數據采集與處理

采集設備為前期試驗設備大疆精靈4RTK，設置環繞參數為航高120m、圓半徑108m、傾斜角45°、單圓方向數30，采集照片數量為4234張，剔除基線過短及曝光嚴重的照片108張，照片的有效使用率為97.4%。采集完成后使用ContextCapture重建。

經過鏡頭調參、平差選擇、空中三角測量計算、生成網格、紋理映射等一些列操作得到實景三維模型。

（四）精度校核

使用檢查點校核實景模型精度和中誤差精度，同時計算整體地面影像分辨率，可得22個檢查點3個方向的中誤差分別為0.038m、0.037m、0.043m，地面影像分辨率為4.5cm/pix，可滿足山地測圖比例1：500的規范標準。

四、結語

本文研究了“帶”狀構筑物免像控實景建模方法，通過顧及曝光延遲的區域網平差技術作為免像控的基礎，在此基礎之上提出針對“帶”狀構筑的區域環飛方式。通過對比試驗區五架次航拍和區域環飛航拍，分析出區域環飛能夠有效提高照片采集效率及利用率，以少數且高質量的照片完成免像控的實景建模。利用區域環飛的方式解決了實際項目 “帶”狀構筑物的免像控實景建模，為“帶”狀構筑物實景建模提供了研究基礎。