基于消費級無人機的模型構(gòu)建精度研究

高 翔

（安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 攝影測量與消費級無人機的研究背景

近年來，隨著我國地理信息行業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)字城市、數(shù)字校園的建設(shè)也如火如荼。由于傳統(tǒng)方法在大區(qū)域建模中存在效率低、速度慢等問題，航空攝影測量技術(shù)憑借著高效、快速的優(yōu)點應(yīng)運而生，使得大區(qū)域建模成為可能[1]。但是，傳統(tǒng)航空攝影測量只能單角度獲得像片信息，導(dǎo)致建立的三維模型存在遮擋、紋理信息不夠完整等問題。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了許多探索，并在航空攝影測量的基礎(chǔ)上研究出一種新技術(shù)——傾斜攝影測量技術(shù)[2]。傾斜攝影測量技術(shù)利用同一傳感器在不同角度獲取像片，有效地解決了傳統(tǒng)航空攝影測量單角度獲取像片的問題。

目前，傾斜攝影測量技術(shù)通過在無人機上搭載傳感器對目標物體進行多角度測量。無人機按照體積、用途可分為專業(yè)性無人機和消費級無人機，消費級無人機具有質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點[3]。

隨著我國科技的不斷發(fā)展，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司（簡稱“大疆”） 等科技公司推出了“悟”“精靈”系列的消費級無人機產(chǎn)品，使用消費級無人機進行攝影測量變?yōu)榭赡堋１疚膶ζ錅y區(qū)進行研究分析，并對消費級無人機建模精度進行驗證，進而分析相對航飛高度、像控點對其建模精度的影響。

2 三維模型構(gòu)建若干技術(shù)

2.1 畸變校正

消費級無人機因體積小、質(zhì)量輕等原因，一般搭載的都是非專業(yè)型量測相機，也稱為非量測相機，在制作、設(shè)計和安裝過程中的誤差會引起相機物鏡畸變，使得像點偏離其理論位置，引起像點位移，導(dǎo)致在航拍過程中地物點、像點、攝影中心三點不位于同一條直線上[4]。因此，先對相機進行標定以獲取相機鏡頭畸變參數(shù)，再根據(jù)以下模型進行相機鏡頭畸變校正，消除畸變誤差。相機鏡頭畸變校正模型的表達式方程組為

2.2 光束法空中三角測量

空中三角測量是通過在地面布設(shè)少量控制點，按照平差模型，求解出所有像片的外方位元素和地面未知點坐標的過程。空中三角測量按照平差模型分類可分為航帶法、獨立模型法和光束法，其中光束法平差結(jié)果最為嚴密[5]。

光束法將像點坐標作為觀測值，首先獲取所有像片的外方位元素和地面未知點坐標的近似值；其次，列間接平差方程求得所有像片的外方位元素改正值；最后，利用多張像片前方交會獲取地面未知點坐標。

2.3 影像匹配

影像匹配是指在影像中尋找同名點的過程。隨著數(shù)字攝影測量的發(fā)展，現(xiàn)階段已使用計算機替代人工完成影像匹配。

影像匹配主要分為基于灰度的影像匹配和基于特征的影像匹配兩種方式，其中基于特征的影像匹配被廣泛用于攝影測量中。

尺度不變特征（Scale-Invariant Feature Transform，SIFT） 算法是一種對于圖像的旋轉(zhuǎn)、縮放和平移具有不變形性質(zhì)的特征匹配算法，具有很高的穩(wěn)健性[6]。

SIFT 算法首先通過對圖像進行卷積運算構(gòu)建圖像尺度空間，生成像片金字塔；其次，剔除圖像中的不穩(wěn)定點；再次，記錄特征點的方向并生成特征描述向量；最后，通過距離函數(shù)對特征點進行影像匹配。

2.4 TIN 的構(gòu)建

首先，每張像片經(jīng)過空中三角測量得到外方位元素真實值后，自動提取每張像片的特征點，生成點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行合并；其次，對點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN） 模型，優(yōu)化處理一些不合理的三角網(wǎng)；最后，生成TIN。

2.5 紋理映射

紋理映射技術(shù)是將紋理空間的紋理像素映射到屏幕空間的過程，即將地物紋理信息貼在三維模型上。對于無人機傾斜像片的紋理映射，國內(nèi)外進行了許多研究。它的主要步驟為：首先，建立模型三角網(wǎng)與紋理三角網(wǎng)的對應(yīng)關(guān)系；其次，建立像片紋理備選庫；最后，選擇合適像片進行映射并構(gòu)建三維模型[7]。

2.6 基于Contextcapture Center 的集群技術(shù)

由于無人機采集的像片數(shù)據(jù)像幅小而導(dǎo)致采集像片數(shù)量多的問題，因此僅使用一臺計算機處理會存在效率低的問題。

針對這一問題，英國奔特力系統(tǒng)軟件公司開發(fā)出了Contextcapture Center 軟件，在建立邏輯并行運算集群的基礎(chǔ)上，使得多臺電腦一起完成建模的任務(wù)[8]。

主機通過Contextcapture Center 軟件將總?cè)蝿?wù)進行人工劃分，劃分成多個子任務(wù)，并將子任務(wù)分配給多個副機，主機和副機一起完成任務(wù)，從而提高了數(shù)據(jù)處理效率。

2.7 三維模型質(zhì)量評價

要對每個三維模型進行精度評價，就要對模型中的特征點平面和高程坐標進行評價。首先，通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS） 與實時動態(tài)（Real-Time Kinematic，RTK） 載波相位差分技術(shù)獲取每個特征點坐標（x測，y測，z測）；其次，在模型中量取檢核點對應(yīng)特征點坐標（x模，y模，z模）；最后，進行三維模型精度分析，其表達式方程組為

式中：Erms_xy為檢核點的平面位置均方根誤差；Erms_z為檢核點的高程均方根誤差；n為測區(qū)內(nèi)檢核點個數(shù)。根據(jù)CH/T 9015—2012 三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[9]中規(guī)定的三維產(chǎn)品模型的平面位置誤差要求和高程誤差要求（見表1） 對三維模型進行精度評價。

表1 平面位置誤差要求和高程誤差要求

3 消費級無人機模型構(gòu)建精度評價的實驗概況

3.1 實驗測區(qū)概況

實驗測區(qū)選擇安徽理工大學(xué)山南校區(qū)（東經(jīng)117.017 4°，北緯32.554 525°），主要以土地與環(huán)境學(xué)院及其附近區(qū)域為主，面積為0.03 km2，測區(qū)內(nèi)包括教學(xué)樓、花壇、道路和斑馬線等地物特征，可以較好地進行三維模型驗證。

3.2 儀器參數(shù)

本次實驗使用大疆“精靈”4 RTK 系列消費級無人機，搭載相機有效像素為2 000 萬，相機焦距為8.8 mm，像元大小為2.4 μm，在飛行過程中具有自動避障功能。大疆“精靈”4 RTK 系列消費級無人機集成RTK 模塊，定位精度可達水平10 mm、垂直20 mm。

測量像控點和檢核點使用廣州中海達衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司（簡稱“中海達”） 生產(chǎn)的i-RTK5 智能測量系統(tǒng)，搭載多星系統(tǒng)，i-RTK 平面定位精度為±（8+1×10-6D） mm，高程定位精度為±（15+1×10-6D） mm，其中D為被測點間距離。

航飛數(shù)據(jù)處理使用實驗室高性能計算機進行處理，每臺計算器均配置i7-8700 處理器和英偉達（NVIDIA） 公司生產(chǎn)的RTX1060 顯卡，其內(nèi)存為64 GB。

本實驗使用6 臺計算機搭載局域網(wǎng)組建集群，每臺計算機上安裝由英國奔特力系統(tǒng)軟件公司開發(fā)的Contextcapture Center 軟件進行模型構(gòu)建。

3.3 數(shù)據(jù)采集

3.3.1 航飛數(shù)據(jù)采集

無人機采集像片時選擇五向飛行，每一方案進行1 次正射飛行和4 次傾斜飛行，正射飛行時相機傾角為90°，傾斜飛行時相機傾角為60°。在飛行前，使用大疆開發(fā)的DJI GO 軟件進行航飛規(guī)劃，設(shè)置航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，依次設(shè)定80 m，100 m，120 m，140 m，160 m 的相對航飛高度飛行，不同相對航飛高度所對應(yīng)的地面分辨率見表2。

表2 無人機的航飛數(shù)據(jù)采集相關(guān)參數(shù)

3.3.2 像控點布設(shè)和檢核點采集

本次實驗采用3 種像控點布設(shè)方案。圖1 為像控點布設(shè)方案，其中圓點表示像控點。

1） 在測區(qū)4 個角點分別布設(shè)1 個平面高程點，共布設(shè)4 個像控點，見圖1-a。

2） 在測區(qū)4 個角點分別布設(shè)1 個平面高程點，在2 條長邊中點分別布設(shè)1 個平高點，共布設(shè)6 個像控點，見圖1-b。

3） 在測區(qū)4 個角點分別布設(shè)1 個平面高程點，并在4 條邊中點分別布設(shè)1 個平高點，共布設(shè)8 個像控點，見圖1-c。

像控點標志使用紅白相間長寬均為1 m 的標靶，見圖2。

使用中海達i-RTK5 對像控點和檢核點進行采集，采集像控點和檢核點時，應(yīng)查看手簿中接受衛(wèi)星顆數(shù)、衛(wèi)星高度角和位置精度衰減因子（Position Dilution of Precision，PDOP） 值，相關(guān)參數(shù)應(yīng)遵循像控點觀測要求，見表3。

應(yīng)選擇觀測窗口狀態(tài)為良好時進行采集，采集像控點時，每次采集30 個歷元，采樣間隔為1 min，同一個像控點應(yīng)測量3 次，每次測量的像控點平面坐標不超過30 mm，高程坐標誤差不超過50 mm。像控點坐標取3 次測量坐標的平均值。

圖1 像控點布設(shè)方案

圖2 用于像控點標志的標靶

表3 像控點觀測要求

由于實驗測區(qū)位于學(xué)校內(nèi)部，地物特征比較明顯，因此在測區(qū)內(nèi)選擇斑馬線端點、房屋角點等作為檢核點，共選取21 個檢核點。像控點和檢核點坐標使用2000 國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000） 坐標，高程使用1985 國家高程基準。

3.3.3 三維模型特征點測量

在Contextcapture view 中打開構(gòu)建的三維模型，通過模型的測量工具依次對21 個特征點進行測量，每個同名點測量3 次，同名點坐標取3 次平均值。

4 消費級無人機模型構(gòu)建精度評價的實驗分析

4.1 模型構(gòu)建

本次實驗設(shè)置了5 種不同相對航飛高度和3 種像控點布設(shè)方案，構(gòu)建了15 個面積為0.03 km2的三維模型。

首先，通過對原始像片進行預(yù)處理和空中三角測量，導(dǎo)入像控點坐標；其次，生成三維密集點云，構(gòu)造TIN 模型；最后，通過紋理映射等技術(shù)方法生成三維模型，見圖3。

圖3 當(dāng)相對航飛高度為80 m 時的模型構(gòu)建和展示

4.2 測區(qū)模型精度分析

首先，對不同相對航飛高度和不同像控點布設(shè)方案下的三維模型進行精度分析；其次，通過Contextcapture Center 軟件中的模型測量工具，測量出檢核點的模型坐標；最后，計算各個模型的均方根誤差。

不同相對航飛高度所構(gòu)建三維模型的平面位置均方根誤差和高程均方根誤差見圖4。

1） 當(dāng)相對航飛高度一定時，不同像控點布設(shè)方案的三維模型平面位置均方根誤差和高程均方根誤差不相同。

當(dāng)相對航飛高度為80 m 時，當(dāng)像控點布設(shè)數(shù)量為4 個、6 個、8 個時，對應(yīng)的三維模型平面位置均方根誤差分別為54 mm，50 mm，44 mm；對應(yīng)的三維模型高程均方根誤差分別為73 mm，56 mm，46 mm。

當(dāng)相對航飛高度為160 m 時，當(dāng)像控點布設(shè)數(shù)量為4 個、6 個、8 個時，對應(yīng)的三維模型平面位置均方根誤差分別為102 mm，97 mm，84 mm；同時對應(yīng)的三維模型高程均方根誤差分別為129 mm，112 mm，96 mm。

由圖4 可知，當(dāng)相對航飛高度一定時，隨著像控點布設(shè)數(shù)量的增加，三維模型的平面位置均方根誤差和高程均方根誤差逐漸減小，精度逐漸升高。

2） 當(dāng)像控點布設(shè)數(shù)量相同時，不同相對航飛高度所構(gòu)建三維模型的平面位置均方根誤差和高程均方根誤差存在差異。

當(dāng)像控點布設(shè)數(shù)量為4 個時，相對航飛高度分別為100 m，120 m，140 m 時構(gòu)建的三維模型平面位置均方根誤差為64 mm，74 mm，89 mm；高程均方根誤差為84 mm，105 mm，114 mm。

圖4 三維模型誤差

由圖4 可知，當(dāng)像控點布設(shè)數(shù)量一定時，三維模型的精度隨著相對航飛高度的升高而降低。

3） 構(gòu)造的15 個測區(qū)三維模型中，平面位置的最高精度為44 mm，高程的最高精度為46 mm；平面位置的最低精度為102 mm，高程的最低精度為129 mm，均符合CH/T 9015—2012 三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[9]中規(guī)定的I 級要求。

5 結(jié)論

本文以安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院周邊面積為0.03 km2的地區(qū)為實驗測區(qū)，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集并運用集群技術(shù)對內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進行處理，構(gòu)造出15 個三維模型，通過不同像控點布設(shè)方案和不同相對航飛高度驗證消費級無人機的建模精度，分析實驗結(jié)果并得出如下結(jié)論。

1） 當(dāng)像控點布設(shè)方案不變時，相對航飛高度越高，建模精度越低；當(dāng)相對航飛高度一定時，像控點布設(shè)數(shù)量由4 個增加到8 個時，像控點數(shù)量越多，模型精度越高。

2） 在構(gòu)建的15 個三維模型中，平面位置的最高精度可達44 mm，高程的最高精度可達46 mm，可以達到厘米級測量需求。

綜上所述，消費級無人機建模精度能夠達到厘米級，具有重要的工程實用價值。本文僅考慮相對航飛高度和像控點布設(shè)數(shù)量對消費級無人機建模精度的影響，下一步將會從像片重疊率、像控點排列方式等方面研究對消費級無人機建模精度的影響。