基于Context Capture的無人機傾斜攝影三維建模及精度分析

文 / 蔡 亮 王蒙蒙

近年來，隨著傾斜攝影技術(shù)和計算機處理技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)越來越多地應(yīng)用于各個行業(yè)，逐步替代了傳統(tǒng)三維建模，以無人機作為載體攜帶傾斜相機實現(xiàn)傾斜攝影已成為一種趨勢，該技術(shù)通過拍攝的多角度影像和少量地面控制點便可利用傾斜攝影軟件自動三維建模，很好地解決了傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)只能獲取垂直影像，需要大量人工參與、速度慢、不利于大面積建模的弊端，使得三維建模工作變得更加高效、便捷。目前，無人機傾斜攝影測量成為獲取地表三維模型的重要途徑，并且已經(jīng)在水利測繪、土方工程等許多方面得到了較好的應(yīng)用。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員有的結(jié)合水利項目分析了傾斜攝影測量技術(shù)生成實景三維模型的過程，闡明了傾斜攝影測量技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用優(yōu)勢；有的通過無人機傾斜攝影實景三維建模為水利工程投資分析、工程設(shè)計等提供技術(shù)支持；有的將無人機傾斜攝影測量技術(shù)運用到土方工程中，為工程提供可視化效果。

本文利用Context Capture軟件作為建模工具，詳細闡述了快速三維建模的技術(shù)路線和實施方案，通過工程項目實例進行三維建模，并對模型的精度進行分析，為三維測繪成果的規(guī)模化生產(chǎn)提供參考借鑒。

1 傾斜攝影測量技術(shù)的建模方法

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是將傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)與數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來的一種新興技術(shù)手段，其主要工作原理是將多臺傳感器同時搭載在同一飛行平臺上，分別從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個不同的方向和角度采集影像數(shù)據(jù)，以獲取全方位的地物紋理信息。該技術(shù)可以展示出較高的真實性效果，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三測量、影像匹配等自動化過程生成三維模型，可以賦予模型更多的地理信息，真實地表達地表物體的具體坐標(biāo)、尺寸及外觀等屬性。而且傾斜攝影測量技術(shù)具有影像數(shù)據(jù)獲取速度快、周期短、測量范圍廣、精度高等特點，后處理過程自動化程度高，這樣就有利于數(shù)據(jù)及時更新，即使在復(fù)雜的環(huán)境下也可以實現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)測繪處理，使得操作人員在安全區(qū)域就可以獲得地形數(shù)據(jù)，降低了外業(yè)的作業(yè)風(fēng)險，提高了工作效率。

1.2 無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用流程

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)的獲取是前期工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而獲取的影像質(zhì)量也會直接影響三維模型的效果；經(jīng)分析影響無人機航飛效果的主要因素有航線、相對航高、重疊度等，實施航空攝影前需充分考慮這些因素，設(shè)置合理的參數(shù)保證影像質(zhì)量。

（1）設(shè)置航高

式中：H為相對航高；f為相機焦距；GSD為地面分辨率；α為像元大小。

（2）設(shè)置重疊度

查詢經(jīng)驗數(shù)據(jù)資料得出，航向重疊度不得小于53%，常用的設(shè)置范圍在60%～80%之間，旁向重疊度不得小于8%，常用的設(shè)置范圍在15%～60%之間。但由于傾斜攝影技術(shù)需要考慮地物遮擋和變形關(guān)系，因此航向和旁向重疊度需要適當(dāng)設(shè)置高一些，將兩者均設(shè)置為80%以上。

（3）設(shè)置航線參數(shù)

根據(jù)測區(qū)范圍，設(shè)定航線起終點、航線長度、航線間距、航線方向參數(shù)，通常規(guī)劃為矩形航線，設(shè)置的航線要盡可能少，避免浪費。

（4）作業(yè)飛行

檢查設(shè)備及電量情況，選擇無風(fēng)晴朗天氣，盡量遠離電線和建筑物，確保無人機飛行范圍內(nèi)GPS信號良好。按上述的要求完成航線設(shè)計后，實施航飛測量計劃，從五個角度全方位地獲取地表物體高分辨率影像數(shù)據(jù)，并對這些影像的質(zhì)量進行檢查。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

導(dǎo)出5組鏡頭分別對應(yīng)5組影像和pos數(shù)據(jù)，對影像名稱和該影像所對應(yīng)的pos數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進行預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)格式的正確性以及資料的完整性。之后連同相機參數(shù)等數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入到建模軟件中。

1.2.3 構(gòu)建三維模型

選擇Context Capture軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件是目前處理傾斜攝影測量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)之一，一般包括主控制臺（Master）、任務(wù)啟動引擎（Engine）、三維模型展示（Viewer）等模塊。利用此軟件對數(shù)據(jù)處理，并進行空三計算，通過點云加密算法將稀疏點云生成密集點云，然后將密集點云進行網(wǎng)格化和紋理映射，利用導(dǎo)入的控制點數(shù)據(jù)，生成對應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的具有真實坐標(biāo)的三維模型。傾斜攝影三維建模技術(shù)流程見圖l。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

2 工程應(yīng)用及精度分析

2.1 工程應(yīng)用

本文選取馬山大河正平橋豐石寬段為例，該段屬于紹興市馬山閘強排及配套河道工程（越城片），工程具有施工面域廣、線路長、場地狹窄等特點，傳統(tǒng)的測量方法需要大量的人力和物力支撐，且耗時長、效率低。采用無人機傾斜攝影技術(shù)進行測量很好地解決了上述問題，規(guī)劃的航測區(qū)域如下（圖2）所示。

圖2 航測區(qū)域圖

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取

在規(guī)劃的航測區(qū)域布設(shè)11個具有代表性的像控點，并使用GPS-RTK技術(shù)進行量測。利用大疆（DJI M600PRO）工業(yè)級多旋翼無人機搭載拼斜五拼相機（TC-DC-5）作為數(shù)據(jù)采集平臺獲取原始數(shù)據(jù)，本次生產(chǎn)任務(wù)共布設(shè)23條航線，飛行3個架次，完成區(qū)段約0.135km2的三維實景生成。航拍的航線范圍超出測區(qū)邊界線100m以上。航飛前要進行模塊自檢，指南針校準(zhǔn)等操作，然后進行參數(shù)設(shè)置，如將航高設(shè)為80m，將航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為90%和80%，參數(shù)單位設(shè)置為m/s，低電量提醒設(shè)置為30%等。

2.1.2 影像處理

在進行空中三角測量步驟前，要對影像進行檢查，將試拍的照片去除，核對照片質(zhì)量和數(shù)量，并與pos數(shù)據(jù)相對應(yīng)，將照片和與之對應(yīng)的pos數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Context Capture軟件，輸入光學(xué)參數(shù)，選擇對應(yīng)的坐標(biāo)系，提交空三運行，之后導(dǎo)入RTX外業(yè)測量的像控點坐標(biāo)，并在相應(yīng)的影像上刺點，進而通過影像密集匹配，密集點云構(gòu)建TIN模型，紋理切片自動映射等過程，最終得到對應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的傾斜攝影三維模型（圖3），此模型能真實地反映出原始地貌。

圖3 實景三維模型成果圖

2.2 精度分析

為了分析三維模型的精度，在航測區(qū)域中間提前均勻布設(shè)了10個特征地物點作為檢查點，并使用GPSRTK技術(shù)測量這些檢查點的坐標(biāo)，將此方式測量的坐標(biāo)記為真實值，同時在三維模型上提取同名檢查點的坐標(biāo)，作為計算值，并與外業(yè)量測的坐標(biāo)進行對比分析，統(tǒng)計得出兩者之間的平面及高程誤差。此外還引入了中誤差，中誤差是用來衡量觀測精度的一種常用指標(biāo)，可以很好地反映誤差精度，在測繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。公式如下：

經(jīng)統(tǒng)計得出如下結(jié)果（表1），觀察可以看出，本項目工程三維模型的平面最大誤差為0.086m，中誤差為0.060m，高程方向最大誤差為0.348m、中誤差為0.116m。參照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，當(dāng)平面中誤差不大于0.5m，高程中誤差不大于0.37m，滿足整體模型精度達到1∶500比例尺測圖的精度要求。

表1 三維模型精度統(tǒng)計表

3 結(jié)語

本文以紹興馬山閘強排及配套河道工程某區(qū)域為研究范圍，通過無人機作為飛行平臺搭載相機，采用傾斜攝影技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù)，基于Context Capture軟件建立了實景三維模型，提出了一套基于傾斜攝影測量技術(shù)的從影像獲取、數(shù)據(jù)處理到三維建模的技術(shù)方法與流程。為了驗證該方法的合理性，將實地測量檢查點坐標(biāo)數(shù)據(jù)與模型實際量測值對比，進行精度分析，結(jié)果表明：本項目工程三維模型的平面最大誤差為0.086m，中誤差為0.060m，高程方向最大誤差為0.348m、中誤差為0.116m，參照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，平面中誤差不大于0.5m，高程中誤差不大于0.37m，達到該規(guī)范的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，為工程建設(shè)中三維繪制的規(guī)模化生產(chǎn)提供一定的方法參考。