無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)三維建模及精度分析

薛 雷，鄧連生，張國武，張?jiān)骑w，田金澤

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

近年來，智慧城市基礎(chǔ)建設(shè)“實(shí)景三維中國建設(shè)”項(xiàng)目全面啟動(dòng)。隨著實(shí)景三維模型構(gòu)建事業(yè)迅速發(fā)展，業(yè)內(nèi)對地物三維模型在實(shí)際應(yīng)用場景中的質(zhì)量要求也越來越高，全自動(dòng)精細(xì)化實(shí)景三維模型構(gòu)建成為遙感和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[1]。目前，實(shí)景三維數(shù)字模型構(gòu)建方法主要以下有4種。①基于二維數(shù)據(jù)的三維建模。該方法雖然節(jié)約生產(chǎn)成本，但時(shí)間周期長、模型整體精度低、后期處理工作繁雜。②基于三維激光掃描的三維建模。該方法雖然不受自然環(huán)境條件限制，但工作量較大。③航空攝影測量技術(shù)建模。該方法雖然精度和處理速度可以滿足實(shí)際作業(yè)要求，但數(shù)據(jù)獲取的成本較高，需要解決視角限制等問題。④傾斜攝影測量建模。該方法利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲取影像，可以較好地提高三維模型的真實(shí)度、精度以及建模效率，具有作業(yè)高效、成本低等眾多優(yōu)勢[2]。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)打破了傳統(tǒng)攝影測量只能搭載單相機(jī)從垂直角度拍攝獲取數(shù)據(jù)的局限性，可以利用多臺(tái)傳感器(搭載多臺(tái)相機(jī))從不同角度獲取地物的三維數(shù)據(jù)，進(jìn)而更加直觀、真實(shí)地反應(yīng)實(shí)景地物的真實(shí)面貌和紋理。另一方面，該技術(shù)借助無人機(jī)作業(yè)的全自動(dòng)模式，可以大大提高人工效率，縮短作業(yè)時(shí)間，把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)工作，降低了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)使地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)過程更為快速和簡便。與人工作業(yè)相比，其高度自動(dòng)化的操作模式在構(gòu)建三維數(shù)字模型上有著高性價(jià)比、高精度、高效率的優(yōu)勢，可以廣泛滿足各行業(yè)的應(yīng)用需求。

以湖北理工學(xué)院醫(yī)學(xué)院教學(xué)樓及周邊區(qū)域?yàn)槔?，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建該區(qū)域的實(shí)景三維模型，并對模型結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，探討模型建立過程中由于外業(yè)自然環(huán)境、內(nèi)業(yè)處理流程等因素可能引起的結(jié)果變化，為實(shí)景三維模型的構(gòu)建提供參考。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是借助航測系統(tǒng)獲取目標(biāo)地物位置及姿態(tài)信息的一門技術(shù)[2]。無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)流程如圖1所示，其主要步驟如下。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)流程

1)通過計(jì)算機(jī)操控搭載高分辨率航測攝影設(shè)備的無人機(jī)，使其在規(guī)定的航線上同時(shí)從5個(gè)不同的角度(1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜)獲取目標(biāo)物的高分辨率遙感影像。

2)通過多視影像的地表地物的同名點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)密集匹配，生成密集點(diǎn)云，并在此基礎(chǔ)上對不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行構(gòu)建。

3)借助數(shù)據(jù)處理軟件利用影像數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)三維重建。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 測區(qū)概況

原始影像數(shù)據(jù)獲取測區(qū)為湖北理工學(xué)院醫(yī)學(xué)院教學(xué)樓，是湖北理工學(xué)院校園內(nèi)較大的獨(dú)立建筑之一，鄰近湖北理工學(xué)院西門體育場，總占地面積約為5.8×104m2。測區(qū)地形基本無起伏、建筑單一、植被較少、人流量較小。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

在理想環(huán)境條件下對目標(biāo)進(jìn)行拍攝，獲取有價(jià)值的原始影像資料。利用南方測繪·天鴻-T610六旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傳感器，獲取湖北理工學(xué)院醫(yī)學(xué)院主樓及周邊小范圍航片數(shù)據(jù)。飛行按作業(yè)需求設(shè)定有效參數(shù)為：航向重疊度82%，旁向重疊度78%，飛行高度100 m，飛行速度8.5 km/h。選取主樓拐角、井蓋中心等10個(gè)控制點(diǎn)備用，并在其中一點(diǎn)架設(shè)基準(zhǔn)站，利用GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理階段

外業(yè)獲取實(shí)地航拍影像后，需要對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括檢查數(shù)據(jù)是否有缺失、是否符合作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和攝站坐標(biāo)預(yù)處理等。首先，檢查外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)(影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù))是否有明顯缺失，確定無誤后打開影像數(shù)據(jù)檢查其屬性信息中曝光率等指標(biāo)是否達(dá)到作業(yè)要求。然后，利用GPS輔助空中三角測量原理對攝站坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)處理，即對地面RTK接收機(jī)獲取的GPS數(shù)據(jù)和無人機(jī)在拍攝點(diǎn)獲取的攝站坐標(biāo)信息進(jìn)行平差處理，解算得到高精度的加密點(diǎn)三維坐標(biāo)[4]。攝站坐標(biāo)預(yù)處理是利用安裝在無人機(jī)上的傳感器和地面架設(shè)的基站接收同步且連續(xù)的GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過GPS載波相位測量差分定位技術(shù)數(shù)據(jù)處理后，獲取曝光時(shí)刻攝站的三維坐標(biāo)進(jìn)行空三解算。部分?jǐn)z站點(diǎn)坐標(biāo)GPS輔助平差結(jié)果見表1。

表1 部分?jǐn)z站點(diǎn)坐標(biāo)GPS輔助平差結(jié)果

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段

經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)的初步檢核和預(yù)處理后，對其進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,包括空中三角測量處理和三維數(shù)字模型構(gòu)建兩部分。解析空中三角測量是合理地利用較少的控制點(diǎn)來計(jì)算大量的地面控制點(diǎn)(定向點(diǎn))，最終獲取測區(qū)中所有影像的外方位元素和待定點(diǎn)的測量坐標(biāo)，主要方法有獨(dú)立模型法、光束法區(qū)域網(wǎng)等[5]。本文通過利用GPS輔助空三加密技術(shù)，改變了傳統(tǒng)攝影測量先航攝、后外業(yè)像控測量、再空中三角測量加密的作業(yè)流程，減少了工序，降低了工作環(huán)境要求，提高了工作效率且保證了測量精度。原始數(shù)據(jù)空三處理信息和空三處理結(jié)果質(zhì)量概述分別見表2和表3。

表2 原始數(shù)據(jù)空三處理信息

表3 空三處理結(jié)果質(zhì)量概述

在完成空三解算后，通過分析相關(guān)參數(shù)，對其結(jié)果進(jìn)行合格性檢驗(yàn)。由于無人機(jī)搭載的光學(xué)相機(jī)傳感器會(huì)出現(xiàn)鏡頭畸變，影響空中三角測量匹配點(diǎn)精度，所以需控制重投影均方根誤差在1 p以內(nèi)，以確保最后生成的模型在精度上符合要求。生成連接點(diǎn)的質(zhì)量度量指標(biāo)見表4。由表4可知，本次空三處理結(jié)果重投影均方根誤差為0.58 p，滿足精度要求。

表4 生成連接點(diǎn)的質(zhì)量度量指標(biāo)

位置不確定性表示空間實(shí)體的真實(shí)位置與實(shí)際位置之間的差別[6]。空三處理結(jié)果連接點(diǎn)和影像位置不確定性分別如圖2和圖3所示。

(a) 頂視圖 (b) 側(cè)視圖 (c) 前視圖

(a) 頂視圖 (b) 側(cè)視圖 (c) 前視圖

由圖2可知，最小不確定性為0.000 6 m，最大不確定性為0.357 6 m，中位位置不確定性為0.015 6 m。圖3中黑點(diǎn)為計(jì)算出的影像位置，藍(lán)色橢圓表示位置不確定性，為了便于理解進(jìn)行了縮放。

通過以上參數(shù)確定空中三角測量結(jié)果精度符合要求，進(jìn)而可以進(jìn)行三維建模處理，即利用已有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Context Capture中進(jìn)行三維模型生產(chǎn)，通過空中三角測量解算結(jié)果，采用多視影像匹配技術(shù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，最終進(jìn)行紋理映射[7]。在三維模型生產(chǎn)時(shí)設(shè)置參數(shù)精度為超高(最高級(jí)別)，輸出坐標(biāo)系為CGCS2000投影坐標(biāo)系?？紤]研究區(qū)域地形較為平坦，結(jié)合計(jì)算機(jī)性能將切塊模式設(shè)置為規(guī)則平面網(wǎng)格，并分為225個(gè)瓦片。三維模型效果如圖4所示。

(a) 整體效果 (b) 局部放大-1 (c) 局部放大-2

由圖4可知，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)得到的湖北理工學(xué)院醫(yī)學(xué)院教學(xué)樓三維模型可以立體、真實(shí)、完整地表達(dá)其實(shí)景建筑特征，且模型的細(xì)節(jié)層次清晰。

4 模型精度驗(yàn)證

為了保證模型的可靠性，對三維模型結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。以各方向及平面的中誤差作為精度評價(jià)指標(biāo)，公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，Mx，My，Mz，M分別為X，Y，Z方向的中誤差和平面的中誤差；n為檢算值數(shù)目。

通過影像位置的不確定性計(jì)算出影像位置與實(shí)測坐標(biāo)之間的差值Δx，Δy，Δz，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)果精度的分析與研究。影像位置與實(shí)測坐標(biāo)之間的差值見表5。將表5中的數(shù)據(jù)代入式(1)～(4)，計(jì)算可得：

表5 影像位置與實(shí)測坐標(biāo)之間的差值 m

Mx=0.0097 m，My=0.0087 m，Mz=0.0080 m，M=0.0131 m。

通過以上分析可知，X方向的最大誤差為0.016 8 m，中誤差為0.009 7 m；Y方向的最大誤差為0.015 1 m，中誤差為0.008 7 m；Z方向的最大誤差為0.013 8 m，中誤差為0.008 0 m；平面的最大誤差為0.022 5 m，最小誤差為0.000 4 m，中誤差為0.013 1 m。通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)搭建目標(biāo)區(qū)域的三維模型精度較高，達(dá)到了《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 157—2010)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1)基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，借助Context Capture 軟件構(gòu)建的三維模型與真實(shí)的建筑物有著高度的一致性，其精度符合規(guī)范要求，驗(yàn)證了無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建三維模型的可行性。

2)GPS輔助空中三角測量技術(shù)實(shí)行動(dòng)態(tài)平差，較傳統(tǒng)控制點(diǎn)測量的精度更高，處理更為簡單有效，驗(yàn)證了GPS輔助空三加密技術(shù)處理的優(yōu)勢性。

3)三維模型X，Y，Z方向最大誤差分別為0.016 8 m，0.015 1 m，0.013 8 m，達(dá)到了《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 157—2010)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了其在構(gòu)建三維模型中的可靠性。