無人機傾斜攝影測量三維建模及精度評定

崔巨月

(安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

當(dāng)前，隨著無人機航測技術(shù)的日益成熟，基于無人機傾斜攝影測量的三維建模方式正在智慧城市等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。無人機作為一個高效、機動的飛行平臺，彌補了大飛機航測效率低、成本高等諸多方面的不足，而傾斜攝影測量采用多相機系統(tǒng)進(jìn)行拍攝，可以同時獲取到地面物體多個角度的影像以及精細(xì)的側(cè)面紋理信息，再使用專業(yè)三維建模軟件對影像進(jìn)行處理，最終可生成帶有真實紋理信息的實景三維模型[1]。相比傳統(tǒng)的人工建模方式，無人機傾斜攝影測量具有效率高、周期短、數(shù)據(jù)真實以及精度高等優(yōu)勢。

1 無人機傾斜攝影測量三維建模

無人機傾斜攝影測量三維建模的主要步驟包括外業(yè)采集數(shù)據(jù)預(yù)處理、影像匹配、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、點云構(gòu)建、紋理映射、精度評價，其作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無人機傾斜攝影測量三維建模作業(yè)流程

(1)影像匹配。影像匹配是三維模型生成的基礎(chǔ)，匹配精度將會影響到后續(xù)成果的質(zhì)量。在影像匹配方法中，基于特征的影像匹配精度較高并且適應(yīng)力較強，當(dāng)前主流的傾斜攝影三維建模軟件均采用此算法進(jìn)行影像匹配。該算法對同一地物影像的色彩特征有一定的依賴性，若將航飛時間間隔長或者光照條件差異大的影像放在同一個加密區(qū)進(jìn)行匹配，則容易出現(xiàn)錯誤匹配的情況。為了提高影像匹配的正確率，在實際生產(chǎn)中可以通過以下方法來實現(xiàn)：進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時，嚴(yán)格控制航飛的時間，盡可能在一致的光照條件下對相鄰地物影像進(jìn)行采集；提高POS數(shù)據(jù)的精度；對原始影像數(shù)據(jù)的色彩進(jìn)行均一化的處理。

(2)多視影像聯(lián)合平差。航攝時可搭載高精度的定位設(shè)備，如定位定姿系統(tǒng)(POS)來獲得無人機平臺的參數(shù)，如航高、曝光時間、姿態(tài)角等。通過對區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差計算，將連接點進(jìn)行匹配，最后再剔除粗差點，直到所有連接點的重疊度、數(shù)量、像方誤差、分布等滿足規(guī)范要求，即可完成多視角聯(lián)合空中三角測量，解算出各影像的外方位元素[2]。在利用軟件進(jìn)行多視角影像平差時，為了提高平差的精度及平差效率，可采取以下措施：對于加密區(qū)的劃分需考慮地形及航飛因素，并盡可能將地物特征少的區(qū)域劃分在加密區(qū)的中間；若同一加密區(qū)內(nèi)涉及多個航飛架次的數(shù)據(jù)，手動增加連接點以增強架次之間的連接性；先轉(zhuǎn)刺加密區(qū)四角上的控制點，在完成一次平差后，再轉(zhuǎn)刺剩余的控制點。

(3)多視影像密集匹配。選取最優(yōu)的影像匹配單元，經(jīng)濾波處理和多視影像密集匹配，獲得高密度實景數(shù)字表面模型(Digital Surface Model，DSM)數(shù)據(jù)。在處理過程中，由于部分影像缺少足夠的同名點或被遮擋，生成的模型會有匹配精度不高、拉花的現(xiàn)象，這些問題需要人工編輯修改。在匹配過程中難免還是會出現(xiàn)匹配誤差較大的粗差點，例如大片水域區(qū)域、高層建筑物以及陰影長的區(qū)域，因此在實際生產(chǎn)中，在密集匹配階段需要做部分人工干預(yù)的工作。在使用軟件完成密集匹配的過程中，可通過以下方式降低匹配的錯誤率：通過分析測區(qū)的地形，確定測區(qū)內(nèi)的最小高程及最大高程，限制匹配的高程范圍；對易產(chǎn)生錯誤匹配的區(qū)域的影像進(jìn)行人工篩查；在保證重疊度的情況下將部分影像從加密區(qū)中剔除。

(4)點云構(gòu)建。傾斜攝影測量構(gòu)建的三維模型本質(zhì)為網(wǎng)格面模型，因此利用超高密度點云來進(jìn)行網(wǎng)格面的點云構(gòu)建。具體方法為：第一步，利用物體影像在不同方向上的信息，以非固定的匹配策略采用參考方式對地物影像進(jìn)行逐像素匹配；第二步，基于多視影像的冗余信息來獲取同名點的精確三維坐標(biāo)，進(jìn)而得到高密度點云數(shù)據(jù)；第三步，基于生成的點云數(shù)據(jù)經(jīng)三角網(wǎng)優(yōu)化和簡化過程，最終生成逼真的三維實景白模模型。

(5)紋理映射。垂直影像和傾斜影像經(jīng)勻光勻色處理、畸變差改正后，需要提取出對應(yīng)位置的紋理信息，同時需要將該信息映射到三維白模的三角面片上,此過程稱作紋理貼附，目的是生成逼真并且紋理清晰的三維實景模型[3]。紋理映射的本質(zhì)是將二維空間點的RGB信息值映射到三維空間物體的表面，進(jìn)而得到符合人體感官視覺的實景三維模型。在紋理映射過程中，由于同一地物信息會在多張多視影像中顯示，而紋理映射數(shù)據(jù)源需要目標(biāo)清晰的影像，在軟件自動處理的過程中，為了提高紋理映射的質(zhì)量并減少傾斜模型的數(shù)據(jù)量，需要注意以下兩點：紋理壓縮率設(shè)置為75%，可在保證傾斜模型視覺效果的基礎(chǔ)上減少傾斜模型的數(shù)據(jù)量；開啟軟件的自動色彩過渡功能，可以減弱不同架次間的紋理色差問題。

2 實例分析及精度評價

2.1 實驗數(shù)據(jù)獲取

作業(yè)對象為合肥市800 m×500 m的某社區(qū)，采用上海某公司生產(chǎn)的AMC536五鏡頭高分辨率無人機傾斜攝影系統(tǒng)獲取地面影像，該系統(tǒng)以六旋翼無人機作為飛行平臺，有效載荷為2.5 kg，續(xù)航時間為40 min。攝影系統(tǒng)由5臺SONY ILCE-7R面陣數(shù)碼彩色相機組成，一臺下視相機獲取垂直影像，另外4臺相機獲取傾角為45°的傾斜影像。平臺飛行相對航高約150 m，單張像片7 360×4 912像素，覆蓋面積0.76 km2，單像素地面分辨率為2.73 cm，獲取21條航線，每條約30張像片，航、旁向重疊率均為75%，共636張像片作為數(shù)據(jù)源，采用Contextcapture軟件，結(jié)合野外實做23個像片控制點，經(jīng)過空中三角測量加密后，構(gòu)建區(qū)域TIN，密集匹配生成該區(qū)域的密集點云數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的對應(yīng)各個面元的紋理數(shù)據(jù)，將其映射到建筑物的幾何框架模型完成紋理貼圖，最終生成約0.40 km2的三維實景模型。

2.2 精度評價

(1)空三精度分析。與傳統(tǒng)攝影測量一樣，傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟還是空中三角測量，后續(xù)三維建模的質(zhì)量取決于空中三角測量的精度。因此，在空中三角測量過程中，精度控制至關(guān)重要。其中，中誤差作為衡量觀測精度的一種數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，能夠較好地反映出誤差精度，在ContextCapture軟件中也是采用該方法對空三精度進(jìn)行評價。從實際生產(chǎn)經(jīng)驗的角度出發(fā)，傾斜攝影空三成果的誤差必須控制在1.5倍像素內(nèi)。本次試驗區(qū)共劃分45個加密區(qū)，最終空三精度統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。從統(tǒng)計結(jié)果看，試驗區(qū)空三加密成果的誤差是優(yōu)于1.5倍像素的，可以用于后續(xù)的三維建模。

表1 空三精度統(tǒng)計表 單位：cm

(2)整體模型精度分析。在進(jìn)行傾斜三維模型的整體精度評價時，將沒有參與平差的外業(yè)實測RTK(Real-time kinematic，實時差分定位)點作為檢查點，并量測獲取對應(yīng)點在傾斜三維模型上的三維坐標(biāo)點，求取差值并統(tǒng)計平面精度及高程精度。需要注意的是，在軟件生成三維模型后，利用Acute3DViewer查看器進(jìn)行坐標(biāo)量取時，需要選取與實際成果坐標(biāo)系一致的坐標(biāo)系系統(tǒng)，并進(jìn)行多次量測，取平均值，從而確定模型上相應(yīng)點的坐標(biāo)值。本次試驗區(qū)共外業(yè)實測580個檢查點，其中建筑物立面點219個，地面點361個，精度統(tǒng)計情況如表2所示。從統(tǒng)計結(jié)果可以分析得出，在控制點布設(shè)合理的情況下，傾斜模型的平面中誤差優(yōu)于2倍的影像分辨率，高程中誤差優(yōu)于3倍的影像分辨率，且地面點精度高于建筑物立面點精度。

表2 傾斜模型精度統(tǒng)計表 單位：cm

3 結(jié)束語

目前，大規(guī)模三維實景模型構(gòu)建的主流選擇是傾斜攝影技術(shù)，就是因為它可以創(chuàng)造性地獲取多視角影像。本文剖析了實際生產(chǎn)中基于軟件構(gòu)建高精度三維模型的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)流程，總結(jié)了提高傾斜模型質(zhì)量及生產(chǎn)效率的經(jīng)驗,并以合肥市某項目區(qū)為實驗區(qū)，對空三成果精度和模型精度進(jìn)行分析，利用實地測量檢查點坐標(biāo)數(shù)據(jù)與模型成果坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了傾斜攝影三維模型可以達(dá)到的精度。但是,在實際生產(chǎn)過程中，傾斜攝影三維建模效果及精度的優(yōu)劣對原始采集數(shù)據(jù)的依賴性大，因此在后期的生產(chǎn)實踐中，需要對傾斜攝影數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的控制及原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而提高傾斜攝影三維建模效果及精度的穩(wěn)定性，實現(xiàn)傾斜攝影三維模型產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用。