小區(qū)域消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影像控點(diǎn)布設(shè)及建模精度研究

桑文剛，李 娜，韓 峰，趙培華，李玉斌

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

近年來(lái)，隨著智慧城市、智慧校園建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于街區(qū)、校園尺度的小區(qū)域?qū)嵕叭S建模需求日益提高。而無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，為以上建設(shè)項(xiàng)目的開(kāi)展提供了一條較優(yōu)解決方案。尤其是近年來(lái)利用大疆等消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭獲取小區(qū)域范圍影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維建模，以其經(jīng)濟(jì)性、靈活性、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)，在該領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。像控點(diǎn)布設(shè)作為傾斜攝影三維模型構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)，直接決定后期三維模型的精度，早期研究及相關(guān)規(guī)范多針對(duì)于傳統(tǒng)航空攝影，對(duì)于此類低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影并沒(méi)有明確規(guī)定，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量布點(diǎn)方式也無(wú)法完全適用于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中需要對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)的布設(shè)方式進(jìn)行探討。

文獻(xiàn)[1]提出了基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的方法，并對(duì)三維模型精度進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[2]通過(guò)6種像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出四周均勻布點(diǎn)、內(nèi)部少量布點(diǎn)的方案空三精度最高。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影像控點(diǎn)布設(shè)方法的探討，對(duì)數(shù)字正射影像進(jìn)行精度分析，總結(jié)出適合1∶1000和1∶2000數(shù)字正射影像圖的像控點(diǎn)布設(shè)方案。文獻(xiàn)[4]通過(guò)設(shè)計(jì)9個(gè)不同等級(jí)的像控點(diǎn)布設(shè)方案，分析了特殊區(qū)域像控點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)成圖精度的影響。在多項(xiàng)研究中，針對(duì)校園類小區(qū)域范圍的相關(guān)研究較少。本文根據(jù)諸多學(xué)者的研究，結(jié)合校園實(shí)際情況，提出利用消費(fèi)級(jí)單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)裝備，獲取校園小范圍區(qū)域航片數(shù)據(jù)作為詳細(xì)研究對(duì)象，采用不同像控點(diǎn)布設(shè)方案制作出不同的三維模型成果，驗(yàn)證不同成果之間的精度差異，最終總結(jié)出符合街區(qū)、校園尺度的小區(qū)域三維模型精度的合理的像控點(diǎn)布設(shè)模式，從而提高基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建三維模型的整體工作效率及精度。

1 像控點(diǎn)布設(shè)原則及三維模型精度指標(biāo)

1.1 布設(shè)原則

像控點(diǎn)的布設(shè)方式與數(shù)量直接決定后續(xù)成果的精度，并使成果具有真實(shí)的地理坐標(biāo)。像控點(diǎn)的選擇和布設(shè)需遵循一定的原則，通常根據(jù)地形條件、攝影資料及信息處理方法的不同，布設(shè)方案也要作相應(yīng)調(diào)整。像控點(diǎn)的布設(shè)原則具體如下[5]：

(1)像控點(diǎn)一般根據(jù)測(cè)區(qū)范圍統(tǒng)一布點(diǎn)，應(yīng)均勻、立體的布設(shè)在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)。

(2)布設(shè)在同一位置的像控點(diǎn)應(yīng)聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn)。

(3)像控點(diǎn)點(diǎn)位的分布應(yīng)避免形成近似直線。

(4)應(yīng)盡量在像控點(diǎn)處布設(shè)地面標(biāo)志，或選擇明顯目標(biāo)點(diǎn)處，便于辨別以提高刺點(diǎn)的精度，增強(qiáng)像控點(diǎn)的可靠性。

(5)像控點(diǎn)布設(shè)結(jié)束后應(yīng)盡量進(jìn)行拍照記錄，便于后續(xù)內(nèi)業(yè)刺點(diǎn)工作。

1.2 三維模型的精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

三維模型的成果精度主要取決于像控點(diǎn)的布設(shè)方式與數(shù)量，其精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國(guó)測(cè)繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)[6]規(guī)定，本文采用該標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)三維模型的精度是否符合要求，平面和高程的精度要求見(jiàn)表1、表2。

表1 《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中的平面精度

表2 《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中的高程精度

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影像控點(diǎn)的布設(shè)

基于上述的像控點(diǎn)布設(shè)原則，充分考慮測(cè)區(qū)內(nèi)地形及所需的成果數(shù)據(jù)，本文選取校園典型小區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，并考慮多種因素設(shè)計(jì)了不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案，驗(yàn)證其布設(shè)方式對(duì)模型成果精度的影響。

2.1 測(cè)區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)主要選取山東建筑大學(xué)典型區(qū)域，試驗(yàn)區(qū)域面積約0.12 km2，使用消費(fèi)級(jí)單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空傾斜攝影，在所測(cè)區(qū)域分別進(jìn)行下視影像和傾斜影像的采集，共采集像片1122張，試驗(yàn)區(qū)域航攝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)區(qū)域航攝參數(shù)

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)方案

無(wú)人機(jī)航拍獲取的影像具有像幅小、基線短、重疊度大等特點(diǎn)，本次無(wú)人機(jī)航飛數(shù)據(jù)主要是制作三維模型成果，綜合考慮外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方式及內(nèi)業(yè)空三加密精度，重點(diǎn)探討不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案[7-9]對(duì)三維模型成果精度的影響。

本次試驗(yàn)綜合考慮了測(cè)區(qū)范圍、地形及建筑物密集程度等因素，設(shè)計(jì)了4種像控點(diǎn)布設(shè)方案。

(1)邊緣平高設(shè)控(圖1(a))：僅在測(cè)區(qū)邊緣和角點(diǎn)布設(shè)4個(gè)平高控制點(diǎn)，評(píng)定邊角設(shè)控對(duì)模型精度的影響。

(2)中心平高設(shè)控(圖1(b))：僅在測(cè)區(qū)中心布設(shè)4個(gè)平高控制點(diǎn)，評(píng)定中心設(shè)控對(duì)模型精度的影響。

(3)全面平高設(shè)控(圖1(c))：在測(cè)區(qū)邊角和中心均布設(shè)平高控制點(diǎn)，評(píng)定全面設(shè)控對(duì)模型精度的影響。

(4)邊緣平高、中心高程設(shè)控(圖1(d))：在測(cè)區(qū)邊角設(shè)置平高控制點(diǎn)，測(cè)區(qū)中心設(shè)置高程控制點(diǎn)，評(píng)定該方案對(duì)模型精度的影響。由于高程控制點(diǎn)的計(jì)算量和布設(shè)成本低于平高控制點(diǎn)，該方案用來(lái)考察像控點(diǎn)布設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

像控點(diǎn)布設(shè)方式是影響三維場(chǎng)景整體精度的主要因素，本文將不同像控點(diǎn)布設(shè)方案參與的空三加密成果引入到三維模型重建中，得到4個(gè)不同的整體三維模型。為了后續(xù)模型精度評(píng)估，還需布設(shè)相應(yīng)的檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)的布設(shè)與量測(cè)主要是評(píng)價(jià)最終成果的精度，本文采取高精度RTK技術(shù)測(cè)量90個(gè)特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別在4個(gè)三維模型中提取相同特征點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)精度對(duì)比分析得到符合校園典型區(qū)域的合理像控點(diǎn)布設(shè)方式。

2.3 三維模型的構(gòu)建

本文主要基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建非單體化三維模型，通過(guò)不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行空三加密處理及三維模型構(gòu)建得到相應(yīng)的三維模型成果。整體三維模型如圖2所示，分別在4個(gè)方案得到的三維模型中量測(cè)90個(gè)檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)并記錄，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，得到不同模型成果的精度指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比分析驗(yàn)證不同像控點(diǎn)布設(shè)方式對(duì)模型成果精度的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析

本文設(shè)計(jì)了4種像控點(diǎn)布設(shè)方案，將不同像控點(diǎn)布設(shè)方案參與的空三加密成果引入到構(gòu)建三維模型過(guò)程中，得到各自的模型成果。為了檢測(cè)傾斜攝影測(cè)量重建三維模型的精度，利用RTK在試驗(yàn)區(qū)實(shí)地量測(cè)90個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)，記錄為CGCS2000坐標(biāo)，在軟件中量測(cè)每個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的4個(gè)三維模型中的坐標(biāo)，同樣記錄為CGCS2000坐標(biāo)。將RTK量測(cè)的三維坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)的真值，將軟件量測(cè)的三維坐標(biāo)作為檢查點(diǎn)的觀測(cè)值，通過(guò)計(jì)算分別得到X、Y、Z3個(gè)方向的真誤差，并由中誤差計(jì)算公式分別得到4個(gè)三維模型X、Y、Z3個(gè)方向的中誤差，計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

根據(jù)X方向、Y方向的中誤差分別計(jì)算得到不同模型的平面中誤差，計(jì)算公式為

(4)

結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 三維模型的中誤差

由表4可知4種布設(shè)方案對(duì)應(yīng)的建模精度中，平面中誤差最大為0.089 7 m，高程中誤差最大為0.060 3 m，完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中對(duì)于Ⅰ級(jí)產(chǎn)品的要求，但不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案參與構(gòu)建的三維模型精度有所差異。從表4數(shù)據(jù)可以看出，方案3全面平高設(shè)控構(gòu)建的三維模型平面及高程精度最優(yōu)；方案4邊緣平高、中心高程設(shè)控構(gòu)建的三維模型平面及高程精度次之；方案2中心平高設(shè)控構(gòu)建的三維模型平面及高程精度最差?？梢?jiàn)不同像控點(diǎn)的分布對(duì)模型的精度影響較為明顯。在高程方面，通過(guò)圖3可知方案2采用中心平高設(shè)控比其他3種方案對(duì)測(cè)區(qū)高程的精度控制較弱，采用全面均勻布控有利于測(cè)區(qū)整體精度的提高，但存在成本高，效率低等問(wèn)題。因此，在項(xiàng)目生產(chǎn)中可進(jìn)一步融入成本、工作及計(jì)算效率等多種因素，選擇邊緣平高設(shè)控，中心高程設(shè)控的布設(shè)方案，并加以優(yōu)化，既能保證項(xiàng)目成果的精度，又能提高整體的工作效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)街區(qū)、校園尺度的小范圍區(qū)域，利用消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭，重點(diǎn)研究了不同像控點(diǎn)布設(shè)策略對(duì)三維實(shí)景建模精度的影響，并選擇典型校園區(qū)域提出了4種不同布設(shè)方案，進(jìn)行影像的采集與數(shù)據(jù)處理，并對(duì)不同方案對(duì)應(yīng)三維模型平面及高程精度加以對(duì)比分析。雖然4種像控點(diǎn)布設(shè)方案得到的三維模型平面中誤差最大為0.089 7 m，高程中誤差最大為0.060 3 m，其精度均符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中Ⅰ級(jí)產(chǎn)品的要求，但其精度分布受到像控點(diǎn)分布和數(shù)量影響較為明顯。為了降低操作難度與生產(chǎn)成本，提高工作效率，可選擇邊緣平高設(shè)控，中心高程設(shè)控的基本布點(diǎn)方式，并在像控點(diǎn)數(shù)量及布設(shè)方式上進(jìn)行合理增加及優(yōu)化，以達(dá)到相應(yīng)的精度指標(biāo)。