不同作業模式下無人機攝影測量三維實景建模效率與質量評價

摘要：為了兼顧測繪外業作業效率與成果質量，同時也為了給數字孿生工程賦能，提供可視化效果好、精度高且輕量的三維實景模型，以湖北省襄陽市漢江崔家營航電樞紐工程為研究對象，從數據采集、模型構建、模型精度等方面對3種不同作業模式下無人機攝影測量生產的三維實景模型的建模效率與模型質量進行了對比分析。結果表明：① 無人機下視單目鏡頭攝影測量方式建模兼顧了作業效率與成果質量，符合傳統測繪生產單位的生產需求，但是模型可視化效果較差；② 云臺旋轉攝影測量方式建模模型可視化效果較好、數據存儲量較低、精度高，符合數字孿生工程數據底板的需求；③ 傾斜攝影測量方式建模模型可視化效果較好、精度高，但是數據存儲量大且內業處理時間長。經綜合比較分析，云臺旋轉攝影測量為最優選擇。

關鍵詞：三維實景模型； 數據采集； 模型構建； 模型精度； 質量評價

中圖法分類號：TV221 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.011 文章編號：1006-0081（2025）04-0057-04

0 引 言

無人機攝影測量等新型測繪技術的發展有效減輕了傳統測繪外業的勞動強度［1］。三維實景模型以無人機攝影測量方式進行數據采集為基礎，在經過一系列處理后通過三維建模得到。無人機攝影測量方式主要分為下視單目鏡頭攝影測量、云臺旋轉攝影測量和傾斜攝影測量，由于不同的數據采集方式獲取的影像數據的角度、數量不同，因此模型構建、模型可視化效果、模型質量也不同。近年來也有一些學者開展了相關研究，向華林等［2］針對單鏡頭無人機傾斜攝影測量的三維建模及精度評估進行了研究，驗證了單鏡頭模型精度較為良好，符合產品相關規范。王云川等［3］對多旋翼單鏡頭無人機不同航線規劃的三維建模方法進行了探討，發現不同航線的三維建模方法模型完整度、點位精度均有所差異。但上述研究都沒有對不同作業模式下無人機攝影測量三維實景模型的質量和建模效率進行綜合評價研究，針對不同要求的測繪項目，如何兼顧作業效率與模型質量是必須考慮的，同時作為數字孿生工程的重要數據支撐［4］，精度高才能滿足其作為三維空間定位框架和分析的基礎，可視化效果優且輕量才能提升平臺性能以及促進數據共享［5-7］。本文基于不同作業模式下無人機攝影測量，從數據采集、模型構建、模型精度等方面對3種不同模式下三維實景模型的建模效率與模型質量進行對比分析。

1 原理與方法

1.1 無人機攝影測量

無人機攝影測量主要包含下視單目鏡頭攝影測量、云臺旋轉攝影測量、傾斜攝影測量。下視單目鏡頭攝影測量主要是依靠單鏡頭獲取垂直于地面的正射影像，只能提供地物的垂直視角信息，無法獲取地物的側面紋理和細節；云臺旋轉測量主要利用無人機搭載云臺設備，通過云臺的擺動或旋轉實現在不同角度和方向對地面進行連續拍攝，以獲取多角度、全方位的影像數據；傾斜攝影測量是通過無人機搭載五鏡頭相機，同時從垂直、傾斜等多角度采集影像數據，獲取高分辨率的地物紋理信息和定位信息。

1.2 三維實景模型構建原理

三維實景模型構建以航測影像為輸入數據，利用高精度POS數據得到粗略原始影像的外方位元素，進行粗匹配剔除一些誤匹配點，進而再重新精確匹配，通過影像特征點匹配和聯合約束平差，完成相對定向，實現自由網平差［8］；對空中三角形測量（以下簡稱“空三”）加密時進行像控點選刺，對已有自由網進行約束平差解算，將整個區域網納入像控點坐標系中，完成絕對定向，實現控制網平差；通過影像密集匹配生成高密度三維點云數據，利用點云數據構建三維TIN格網，對TIN格網進行封裝，構建三維白膜模型，并對三維白膜模型自動紋理映射，制作出三維實景模型［9-11］，建模流程見圖1。

2 實例分析

2.1 數據采集

本次選取湖北省襄陽市漢江崔家營航電樞紐工程為研究對象，三維實景建模重點區域為該水利水電工程主壩區域，面積約為1.34 km2，本次數據采集主要包含航測影像、POS數據采集及地形檢查點的數據采集，測區范圍及檢查點示意見圖2。

本次航測作業采用DJI M300 RTK無人機搭載Zenmuse P1相機進行下視單目鏡頭攝影測量、云臺旋轉測量；飛馬D2000無人機搭載OP3000五鏡頭相機進行傾斜攝影測量；采用GNSS實時差分定位方法獲取高精度POS數據，航測影像分辨率設置為3 cm，具體航測參數見表1。

地形檢查點的數據采集采用GNSS RTK作業方式人工采集，均勻地覆蓋整個測區范圍，共獲取地形檢查點202個。

2.2 模型構建

數據采集后，經過數據預處理進行三維實景模型構建，其重難點是空三及重建，空三是構建高精度三維實景模型的基礎，而重建涉及三維實景模型在幾何與紋理表達的完整性、一致性上是否滿足要求；本次三維實景模型構建采用重建大師（V6.2版本）分布式集群進行建模。作為國產化大規模自動化三維重建軟件，重建大師集攝影測量、人工智能算法、計算機視覺等先進技術于一體，滿足數據國產化、安全性、機密性的要求，同時具有高效的重建效率與出色的模型質量，但是其對電腦硬件配置及網絡要求較高。為了滿足分布式集群建模，本次建模電腦處理器為Inter i9-10850k，顯卡為NVIDIA RTX3070，內存128 GB；網絡配置為千兆交換機及千兆網卡，同時為最大限度發揮計算機性能，設置OSGB瓦片長寬為250 m。由于下視單目鏡頭攝影測量只有正下方影像信息，且側面紋理信息較少，為提升建模效果，采用投影約束、碎目標感知等智能化算法進行模型構建。內業處理參數見表2。

2.3 模型精度

在傳統測繪生產中，模型精度直接影響到成果質量，而對于數字孿生工程，其核心在于建立高精度的三維實景模型，以實現對物理實體的數字化復制和仿真。精度直接影響到數字孿生模型的準確性和可靠性，因此本次通過高程點位誤差、高程中誤差對202個地形檢查點的不同作業模式下模型高程精度進行了驗證。

2.4 建模效率與模型質量評價

建模效率與模型質量主要通過數據采集時間、空三、重建時間、數據存儲量、模型可視化效果與模型精度等指標進行評價。

內外業時間及數據量情況見表3～4，可知下視單目鏡頭攝影測量外業數據采集時間、有效數據采集時間最短，內業空三、重建時間也最短，效率最高。

云臺旋轉攝影測量由于其航測過程中云臺旋轉速度較慢導致其數據采集時間、有效數據采集時間最長，空三、重建時間基本上與下視單目鏡頭攝影測量成正比例關系，其數據存儲量最小。

傾斜攝影測量由于其五鏡頭航測生成影像量最多，空三、重建時間最長，且其空間幾何信息、紋理信息豐富，數據存儲量也最大。

由于影像獲取方式不同，影像的空間幾何信息、紋理信息以及三維實景模型可視化效果均不同，由圖3（a）和圖3（b）可看出，由于下視單目鏡頭攝影測量只能獲取無人機正下方的影像信息，雖可以通過增加旁向重疊度獲取一定的側面空間、紋理信息，但仍不能完整準確獲取，因此三維實景模型的精細度和完整性上不如云臺旋轉測量模型，存在拉花、錯亂、模型不完整等情況。由圖3（b）和圖3（c）可看出傾斜攝影測量與云臺旋轉攝影測量的三維實景模型可視化效果基本一致，細節上有所差異，說明云臺旋轉攝影測量作業方式雖然影像數量上相對較少，但通過云臺多角度旋轉的方式依然能獲取絕大部分被攝區域的空間、紋理信息。

通過對202個地形檢查點進行誤差計算，檢查點高程誤差分布見圖4。由圖4可知，下視單目鏡頭測量模型與傾斜攝影測量模型有80%以上的檢查點高程誤差均在0.2 m以內，云臺旋轉測量模型有90%以上的檢查點高程誤差均在0.2 m以內，經過與模型驗證，誤差較大的區域存在于坎頂、房邊等高程變化較大的區域。

經過統計不同作業模式下模型中誤差，下視單目鏡頭攝影測量與傾斜攝影測量中誤差為0.08 m，云臺旋轉攝影測量中誤差為0.07 m，中誤差基本一致，滿足相關規范要求。

3 結 論

通過不同作業模式下無人機攝影測量作業方式進行數據采集，從數據采集時間、空三、重建時間、數據存儲量、模型可視化效果以及模型精度等方面對不同作業模式生成的三維實景模型進行對比分析。結果表明：在傳統測繪項目中，通過無人機下視單目鏡頭攝影測量方式作業建模，不僅能有效降低內外業時間，且模型數據存儲量相對不高，高程精度滿足相關規范中1∶500地形圖繪制要求，但是存在三維實景模型可視化效果差的情況；作為數字孿生工程的數據底板，傾斜攝影測量方式的可視化效果與精度滿足相關要求，但是出于平臺性能與數據共享的角度，云臺旋轉攝影測量方式產生的三維實景模型無論從模型可視化效果、模型精度還是數據存儲量來說都是較優的選擇。

參考文獻：

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Evaluation on efficiency and quality of 3D real scene models under different operation modes of unmanned aerial vehicle photogrammetry

ZHANG Zhenjun，JIA Yongshuai，TANG Lei

（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hanjiang River，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441021，China）

Abstract： In order to balance the efficiency and quality of surveying and mapping field operations，as well as to empower digital twin projects，and provide 3D real scene models with good visualization effects，high accuracy，and lightweight.The Cuijiaying Navigation and Hydropower Hub Project in Hanjiang，Xiangyang City of Hubei Province was taken as an example，the study was conducted on the modeling efficiency and quality of 3D real scene models produced by unmanned aerial vehicle photogrammetry under three different operation modes through data collection，model construction，and model accuracy.The results showed that：① The unmanned aerial vehicle down view monocular lens photogrammetry modeling method achieved both operational efficiency and result quality，and the model can meet the production needs of traditional surveying and mapping production units，but the visualization effect was poor.② The modeling model of Pinion rotating photogrammetry had a good visualization effect，low data storage capacity，and high accuracy，which met the requirements of digital twin engineering data base plate.③ The oblique photogrammetry modeling method had a good visualization effect and high accuracy，but it had a large data storage capacity and long processing time in the office.After comprehensive comparative analysis，the pinion rotating photogrammetry was the best option.

Key words： 3D real scene models； data acquisition； model construction； model accuracy； quality evaluation

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：張振軍，男，高級工程師，主要從事遙感測繪、水利信息化工作。E-mail：569548213@qq.com

引用格式：張振軍，賈勇帥，唐磊.不同作業模式下無人機攝影測量三維實景建模效率與質量評價［J］.水利水電快報，2025，46（4）：57-60.