仿地飛行與定高飛行創(chuàng)建三維模型的差異分析

陳 嘉

（遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

貴州的地貌類型復雜，境內(nèi)地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，呈三級階梯分布。由于飛行作業(yè)區(qū)域多為山地，高差較大，常規(guī)的定高飛行只能在比較平緩的小區(qū)域范圍內(nèi)作業(yè)，而大范圍，特別是長帶狀地形的航空攝影，想要保證相應精度一致且優(yōu)于1：2 000的成果，就不得不采用仿地飛行。

1 項目概況

習水縣位于貴州省北部。習酒鎮(zhèn)201 廠工程位于習酒鎮(zhèn)東側(cè)甕坪村境內(nèi)，桐梓河右岸緩斜坡上，地形總體趨勢為東高、西低。廠區(qū)位置位于一塊開挖出來的平坦區(qū)域，東西兩邊都是山地，落差較大。任務的目的是將廠區(qū)和兩旁的山地通過傾斜攝影測量，創(chuàng)建三維立體模型，用于對外展示廠區(qū)區(qū)域布置，也便于研究后續(xù)的廠區(qū)擴建問題。

2 作業(yè)準備

為了在同等條件下生產(chǎn)出三維立體模型，所以兩種飛行作業(yè)方式均在同一天相同的時段進行，并且航高都固定為350 m，突出反映出兩者的差異性。

選擇旋翼無人機D2000，相機型號選用CAM3000，搭載傾斜模塊D-OP3000，有效像素：2 400萬×5、鏡頭焦距：35 mm（傾斜）、25 mm（下視）。

3 作業(yè)流程

3.1 外業(yè)飛行

3.1.1 定高飛行

在測區(qū)范圍內(nèi)選擇一個平坦較高的地勢，大致觀察有無高壓橫架電線和鐵塔，標記在電腦的地圖上。打開無人機應用APP，選中測區(qū)范圍，參考標記的鐵塔等危險源，以測區(qū)內(nèi)最高點的高程，規(guī)劃出航向重疊度為80%、旁向重疊度為60%、飛行時間40 Mins 內(nèi)的航線。開始作業(yè)后，注意飛行姿態(tài)變化，保證作業(yè)過程的安全；飛行結(jié)束后，將包含影像和POS的數(shù)據(jù)下載保存。

3.1.2 仿地飛行

打開無人機應用APP，在測區(qū)范圍內(nèi)進行高程數(shù)據(jù)預掃，生成一個略大于測區(qū)范圍的KML 的預掃文件；接著在應用軟件的航線模塊中導入預掃KML文件，按照8 cm的GSD、航向重疊度為80%、旁向重疊度為60%規(guī)劃航線，飛行時間控制在35Mins 之內(nèi)。通過正射航拍，將得到的飛行數(shù)據(jù)導入應用軟件APP中的數(shù)據(jù)處理模塊，加載數(shù)據(jù)影像和POS數(shù)據(jù)，處理后得到測區(qū)的TIF格式下的DSM模型。

選擇一個平坦較高的地勢，打開無人機應用APP下的航線模塊，加載DSM 模型后，按照測區(qū)范圍規(guī)劃一個航線重疊度80%、旁向重疊度60%、航高200 m的航線。開始作業(yè)后，注意飛行姿態(tài)的變化，保證作業(yè)過程的安全，飛行結(jié)束后，將包含影像和POS的數(shù)據(jù)下載保存。

3.2 像控采集：

按照像控布設(shè)的航測正常流程，像控點的布測應在航拍完成后，基于該飛行范圍進行預先布設(shè)；在測區(qū)范圍內(nèi)實際測量中實地考察，滿足布設(shè)要求的前提下進行采集。像控點按照一般要求及根據(jù)該地區(qū)地形特點，布設(shè)間隔不得超過300 m，樹林茂密地區(qū)不得超過400 m，無法布設(shè)區(qū)域應在可以布設(shè)的區(qū)域加密控制點保證300 m×300 m 范圍內(nèi)有不少于3 個像控點（無特征地物區(qū)域在地勢平坦區(qū)域加測高程控制點）。

注意相片拍攝時間與像控點時間和天氣，相同時，地物基本位置、顏色不會變動，相近時注意地物顏色變化；像控點布設(shè)總體原則要易于與周邊區(qū)分、易辨認、布點準確。

3.3 數(shù)據(jù)處理：

將得到的影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)一一對應后導入到ContextCapture Center軟件中。新建工程文件，添加影像數(shù)據(jù)，再導入所有影像位置和角元素的文本文件，將下視鏡頭拍攝的影像焦距設(shè)置為25 mm，斜視影像焦距設(shè)置為35 mm。在contextcapture3D 視圖中查看pos 數(shù)據(jù)無誤后（如圖1），提交空中三角網(wǎng)測量。

圖1 contextcapture3D視圖（左：仿地飛行；右：定高飛行）

根據(jù)特征提取算法對影像進行特征提取，將建立的連接點和連接線先進行自由網(wǎng)平差，接著通過刺點的方式將控制點和自由網(wǎng)平差結(jié)果進行控制網(wǎng)平差。將生成的檢查點和外業(yè)測量的檢查點進行精度評定，符合要求后開展三維模型的建立。

根據(jù)影像數(shù)據(jù)結(jié)合空中三角網(wǎng)測量加密解算出來的各個影像外方位元素，運用多視影像密集匹配技術(shù)，生產(chǎn)出高密度點云能反映實景的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)（DSM 數(shù)據(jù)），將影像數(shù)據(jù)通過歸一化和增強處理后，把高分辨率的紋理映射到DSM數(shù)據(jù)表面，生成完整的三維數(shù)字模型。

4 對比分析

4.1 精度對比

在模型精度方面，采用外業(yè)實測特征點用作檢查點，將多個外業(yè)檢查點坐標分別與三維立體模型上的對應點坐標進行對比，將其差值分別求出算術(shù)平均值，得出兩者的平面誤差分別為±（11 cm）和±（13 cm），高程誤差分別為±（6 cm）±（9 cm）。精度差距不大。

4.2 質(zhì)量對比

在整個3D模型中，兩者基本上都能將圖元信息中的尺寸、面積、坐標、顏色等要素準確表達，只是在一些細節(jié)展示方面有所差異。

如圖2：在墻體、欄桿等構(gòu)件方面，仿地飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型更完整；定高飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型有時候?qū)δＰ偷娜笔б约罢鎸嵭圆粔驕蚀_。

圖2 構(gòu)件模型對比圖（左：仿地飛行；右：定高飛行）

如圖3：在建筑房頂方面，仿地飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型形體準確表達，輪廓清晰且正確；定高飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型則有出現(xiàn)輪廓不清晰，線條表達不準確的問題。

圖3 房屋模型對比圖（左：仿地飛行；右：定高飛行）

如圖4：在文字識別方面，仿地飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型更清晰，色彩對比度更高；定高飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型則有出現(xiàn)字跡不夠清晰，色彩對比度弱，色差不明顯的問題。

如圖5：在高差較大的山體懸崖方面，仿地飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D模型基本上完整，偶爾出現(xiàn)模型漏洞，但是漏洞較少并且較小；定高飛行采集數(shù)據(jù)創(chuàng)建的3D 模型出現(xiàn)模型漏洞的數(shù)量更多，并且懸崖越陡峭，兩者的質(zhì)量對比差距更明顯。

圖5 懸崖模型對比圖（左：仿地飛行；右：定高飛行）

5 結(jié)論

三維立體模型作為產(chǎn)品的一個展示和研究載體，當然是越詳細越準確越好。無人機低空攝影測量的飛行方式分為了仿地飛行和定高飛行，兩者采集的數(shù)據(jù)都能創(chuàng)建出三維模型。由于都是經(jīng)過了統(tǒng)一的空中三角網(wǎng)平差處理，所以兩者在精度對比方面差距不大，不過在上述的一些細節(jié)表達方面，仿地飛行由于在飛行過程中始終保持了恒定的影像分辨率，所以用其創(chuàng)建的三維模型更加精細，更易于識別，更能滿足人們對于高質(zhì)量工程的設(shè)計研究和展示需求。