1∶1000固定翼無人機(jī)傾斜攝影建模精度分析

馮雅秀 朱蘭艷 龔緒才

摘 要：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)近年來已被廣泛運(yùn)用于數(shù)字城市建設(shè)和應(yīng)急救災(zāi)行業(yè)中。為研究三維模型在快速構(gòu)建過程中的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，以1∶1 000大比例尺三維傾斜模型構(gòu)建及對(duì)其精度的評(píng)估為目的，采用固定翼無人機(jī)作為航測(cè)平臺(tái)，搭載3鏡頭數(shù)碼相機(jī)，簡(jiǎn)要探討了傾斜攝影的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了基于無人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)采集和處理流程，并著重對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了精度分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)精度均能滿足1∶1 000大比例尺航測(cè)內(nèi)業(yè)規(guī)范要求。該方法能有效反映真實(shí)的地物地貌，大大提高了生產(chǎn)效率，對(duì)相關(guān)應(yīng)用具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；傾斜攝影；航線布設(shè)；三維建模；精度評(píng)估

DOI：10.11907/rjdk.172593

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）004-0205-04

Abstract：Unmanned aerial vehicle （UAV） oblique photography technology has been widely used in digital city construction and emergency relief in recent years. In order to study the authenticity and accuracy of 3D modeling in the rapid construction process， with the purpose of oblique 3D modeling at large-scale of 1∶1 000 and its accuracy evaluation， this paper uses a fixed-wing UAV as aerial platform equipped with an 3-lens digital camera for data capture， then it presents the key technology of oblique photography. Based on UAV oblique photography， this paper first summarizes the data acquisition and data processing workflow， then focuses on the evaluation the accuracy of the 3D model. Results show that the accuracy can satisfy specifications for office operation of low-altitude digital aerophotogrammetry at large-scale of 1∶1 000， and we can draw the conclusion that it can show the landform factually and effectively under the precondition of accuracy requirements， which increas production efficiency and plays an important role on directing the practical work.

Key Words：UAV； oblique photography； flight route； 3D modeling； accuracy evaluation

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量[1]技術(shù)因不能全方位感知場(chǎng)景和重建模型而無法滿足當(dāng)前城市發(fā)展的需要。因此，傾斜攝影測(cè)量[2]技術(shù)憑借其多角度、大范圍、高精度、高清晰等優(yōu)勢(shì)成為近年來國際上發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)對(duì)于智慧城市的發(fā)展起著重要推動(dòng)，其提供的一系列地物信息，可以構(gòu)建三維城市模型，從而為城市的智能化管理提供便利條件。該技術(shù)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜的不同視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理，生成真實(shí)的三維城市模型[3]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用范圍相當(dāng)廣，可以延伸到生活中的方方面面，例如：政府方面的基礎(chǔ)測(cè)繪、公共安全、執(zhí)法行動(dòng)、規(guī)劃發(fā)展、消防；公共事業(yè)方面的災(zāi)害評(píng)估、環(huán)保、緊急救助；企業(yè)方面的保險(xiǎn)、房地產(chǎn)；公眾方面的位置服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、旅游等。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)流程

無人機(jī)傾斜攝影生成實(shí)景三維模型的技術(shù)流程主要包括：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、像控點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、傾斜影像空中三角測(cè)量、傾斜影像密集匹配、點(diǎn)云生成、TIN三角網(wǎng)構(gòu)建與三維建模[3-7]等幾部分，具體流程如圖1所示。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)概況

本文以撫仙湖北片區(qū)為研究對(duì)象，研究區(qū)域航拍面積約4km2，高程在1 723～1 728m之間，研究區(qū)域概況如圖2所示。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 影像采集

本次試驗(yàn)采用固定翼無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載北京數(shù)維翔圖的3鏡頭傾斜相機(jī)，獲取試驗(yàn)區(qū)傾斜影像。相機(jī)的3個(gè)鏡頭已經(jīng)過室內(nèi)檢校場(chǎng)檢校，其主要參數(shù)如表1所示。

本次試驗(yàn)共計(jì)飛行2個(gè)架次，有效像片10 328張，影像清晰度及拼接度較好，但仍有少許云影，部分水面有反光。

2.2.2 航線布設(shè)

由于受測(cè)區(qū)地形環(huán)境、雨季、空管等諸多因素限制，研究區(qū)域航拍測(cè)繪項(xiàng)目實(shí)際飛行2個(gè)有效架次。航線設(shè)計(jì)如圖3所示。

該架次內(nèi)航線敷設(shè)采用多方向與變高飛行設(shè)計(jì)[8]，相鄰處都確保了比較充足的重疊區(qū)域。該航線基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.2.3 像控點(diǎn)布設(shè)與施測(cè)

本次航飛像控點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法[9]，航向布設(shè)于旁向重疊區(qū)域的中線附近，綜合考慮交通條件、地面目標(biāo)判讀條件、航線形狀，使測(cè)區(qū)周邊盡可能布設(shè)點(diǎn)位。本次航飛外業(yè)實(shí)測(cè)45個(gè)像控點(diǎn)，投影采用高斯-克呂格3°帶投影，中央子午線為東經(jīng)102°（34帶），其精度滿足1∶1 000大比例尺成圖要求。像控點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

該研究區(qū)域內(nèi)業(yè)處理過程采用Bentley ContextCapture軟件：①數(shù)據(jù)預(yù)處理包括原始影像導(dǎo)入、像控點(diǎn)文件與相機(jī)校驗(yàn)參數(shù)導(dǎo)入、航帶導(dǎo)入及工程各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置等制作；②采用光束法區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行傾斜影像空中三角測(cè)量控制點(diǎn)加密[10]；③在完成傾斜影像空中三角測(cè)量并符合精度要求的基礎(chǔ)上，通過在密集匹配[11]處理過程中應(yīng)用特征匹配策略，快速、高可靠性地匹配密集DSM（數(shù)字表面模型）點(diǎn)云；④生成DSM后，在多視匹配過程中記錄同名像點(diǎn)及其與地面的可視對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)可視糾正過程中的記錄結(jié)果，選取地面點(diǎn)在影像上的最佳像素進(jìn)行灰度重采樣，最后以像素為單位組合生成真正射影像及傾斜三維模型[12-13]。其部分成果如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)成果精度分析

3.1 傾斜影像空三精度

為提高模型定位精度，在建模前對(duì)傾斜影像空三匹配結(jié)果進(jìn)行精度分析[14-15]。在該研究區(qū)域內(nèi)選取17個(gè)控制點(diǎn)和23個(gè)檢查點(diǎn)，其精度如表3、表4所示。

如表3、表4所示，研究區(qū)域傾斜影像空三控制點(diǎn)平面中誤差為±0.10m，平面最大誤差為±0.16m，高程中誤差為±0.09m，高程最大誤差為±0.22m；檢查點(diǎn)平面中誤差為±0.14m，平面最大誤差為±0.27m，高程中誤差為±0.12m，高程最大誤差為±0.29m。滿足CH/Z 3003—2010《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》對(duì)空三加密成果的精度要求。

3.2 模型精度分析

借助于RTK在測(cè)區(qū)外業(yè)實(shí)地測(cè)量的刺點(diǎn)片，讀出13個(gè)檢查點(diǎn)在模型上的坐標(biāo)。然后與該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)作對(duì)比，進(jìn)行精度評(píng)估，結(jié)果如表5、表6所示。

由表5、表6可知，經(jīng)13個(gè)檢查點(diǎn)在模型上的坐標(biāo)與該點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)對(duì)比后得出，其在X、Y、Z方向上的中誤差分別為±0.125m、±0115m、±0.06m，即平面中誤差為±0.170m，高程中誤差為±0.06m。

為進(jìn)一步評(píng)估模型的高程精度，在模型上選取兩個(gè)平坦區(qū)域進(jìn)行精度分析。在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分別隨機(jī)選取40個(gè)檢查點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)這些檢查點(diǎn)的高程波動(dòng)情況分析模型精度。兩個(gè)區(qū)域的高程數(shù)值統(tǒng)計(jì)如表7所示。

如圖6、圖7所示，區(qū)域一和區(qū)域二的DSM高程波動(dòng)較穩(wěn)定，隨機(jī)選取的檢查點(diǎn)高程差精度均小于15cm，滿足1∶1 000比例尺成圖精度要求。

4 結(jié)語

本文基于固定翼無人機(jī)三維傾斜模型的構(gòu)建，簡(jiǎn)要描述了傾斜攝影的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，利用Bentley ContextCapture軟件處理非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)采集的傾斜影像，快速生成研究區(qū)域的三維模型，能夠反映真實(shí)的地物地貌，提高數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度，大大提高了生產(chǎn)效率。傾斜影像空三加密精度和生成的模型精度能夠滿足1∶1 000大比例尺航測(cè)內(nèi)業(yè)規(guī)范要求，滿足測(cè)繪行業(yè)對(duì)于其成果的需求。但由于飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、畸變較大等因素，使人工干預(yù)的工作量增大，且模型的地面區(qū)域存在部分遮擋，導(dǎo)致地面較低處的模型質(zhì)量欠佳，相關(guān)問題需要在后續(xù)研究中進(jìn)一步探討。

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