無人機(jī)用于形態(tài)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)對(duì)象量測(cè)的精度分析

和文斌，甘淑，袁希平

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.云南省高校高原山地空間信息測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，云南 昆明 650093；3.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)云南省高校山地實(shí)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 大理 671009)

1 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)繪的儀器和技術(shù)得到了飛快發(fā)展[1]，尤其是無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用到更多的行業(yè)之中。對(duì)于形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對(duì)象，傳統(tǒng)的二維信息已經(jīng)不能滿足人們對(duì)于復(fù)雜物體的量測(cè)描述，而需要通過三維立體模型直觀地呈現(xiàn)出來。為了更直觀、更全面地呈現(xiàn)出研究對(duì)象的三維信息，各種三維建模的技術(shù)呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展。相對(duì)于測(cè)繪行業(yè)而言，當(dāng)前根據(jù)測(cè)量方法來進(jìn)行三維建模的方法主要有三種：首先是傳統(tǒng)的測(cè)量方法[2]，利用全站儀采集單點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采集后的數(shù)據(jù)再用CAD軟件完成三維模型的構(gòu)建，該方法建立三維模型節(jié)約成本、可以提高平面模型的精度，但是建出來的三維模型精度低，在后期有大量的修補(bǔ)工作，對(duì)復(fù)雜對(duì)象的測(cè)量效率較低，僅適合于部分?jǐn)?shù)據(jù)的建立。其次是隨著三維激光掃描技術(shù)[3]和無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)[4，5]的快速發(fā)展，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量采集數(shù)據(jù)模式發(fā)展到掃描模式采集數(shù)據(jù)以及無人機(jī)攝影測(cè)量的方式。利用三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以大面積獲取研究對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維模型精度很高；但是獲取的數(shù)據(jù)量大、后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量大、點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量較大，而且三維掃描儀成本高，不易于大范圍的推廣使用。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，用無人機(jī)采集原始影像，像控點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行控制，進(jìn)行空中三角測(cè)量，再用空三加密的成果來重建三維模型。該方法應(yīng)用于數(shù)字城市模型的建設(shè)[6]，數(shù)據(jù)處理速度快、模型成果精度高、可以處理大范圍模型數(shù)據(jù)。該方法具有自動(dòng)化程度高，工作周期短、人工干預(yù)較少、操作簡(jiǎn)便，成本低等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)測(cè)繪成為近年來熱門發(fā)展的領(lǐng)域。無人機(jī)飛行平臺(tái)可以搭載多種傳感器，獲取地面的影像，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以生成4D產(chǎn)品，即數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字線畫圖(DLG)、數(shù)字柵格圖(DRG)[7，8]，可以快速地獲取實(shí)景三維模型。近年來，由無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維景觀的重建得到了不斷的推廣，將無人機(jī)技術(shù)不斷地應(yīng)用到三維重建的工作中，并且受到了廣泛測(cè)繪工作者的青睞。

目前，無人機(jī)的種類也有很多，按結(jié)構(gòu)可分為固定翼、旋翼、無人直升機(jī)和垂直起降無人機(jī)[9]。本文選用四旋翼大疆精靈4RTK無人機(jī)，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建三維模型的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)3個(gè)不同的飛行方案，對(duì)位于昆明市五華區(qū)的昆明理工大學(xué)蓮華校區(qū)內(nèi)的一個(gè)形態(tài)復(fù)雜的雕塑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用Context Capture軟件進(jìn)行自動(dòng)化建模型[10]。結(jié)合GPS-RTK采集的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)三維模型進(jìn)行平面精度、高程精度、特定邊長(zhǎng)度以及三維模型紋理信息的分析，驗(yàn)證了應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建三維模型的可行性，為今后進(jìn)行復(fù)雜地物探測(cè)航測(cè)路線規(guī)劃與三維實(shí)景重建提供一定的技術(shù)參考。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇

本次實(shí)驗(yàn)工作選擇在云南省昆明市五華區(qū)昆明理工大學(xué)蓮華校區(qū)內(nèi)，主要是對(duì)校園內(nèi)的雕塑場(chǎng)景進(jìn)行三維重建。實(shí)驗(yàn)區(qū)如圖1所示，整體呈塊狀，長(zhǎng)約為 130 m，寬約為 100 m。研究場(chǎng)景中的主題雕塑底座是圓柱體，中間由不規(guī)則的大理石堆砌而成，頂部是一側(cè)躺式不規(guī)則的形態(tài)復(fù)雜人體造型。

圖1 實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本次研究采用的影像是由大疆精靈4RTK無人機(jī)傾斜攝影的遙感影像，分別使用3個(gè)不同方案，共獲取247張影像，由于校園地勢(shì)相對(duì)平坦，采集數(shù)據(jù)范圍較小，所以選定雕塑周圍的4點(diǎn)作為控制點(diǎn)，由GPS-RTK實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)作為坐標(biāo)真值。無人機(jī)的參數(shù)如表1所示，控制點(diǎn)分布如圖2所示。

無人機(jī)參數(shù)信息 表1

圖2 控制點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)工作利用了大疆精靈4RTK無人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)3個(gè)不同的飛行攝影方案，其中：方案一是將無人機(jī)的飛行角度設(shè)置為右視飛行，鏡頭的拍攝角度為60°，無人機(jī)的航高設(shè)置為 25 m；方案二無人機(jī)的飛行方向?yàn)榫诛w行，鏡頭的拍攝角度為60°，無人機(jī)的航高為 25 m；方案三無人機(jī)的飛行方向?yàn)榍跋蝻w行，鏡頭的角度為90°，無人機(jī)的航高為 65 m。為了獲取更高精度，減少周圍環(huán)境帶來的影響，將無人機(jī)的航向重疊度和旁向重疊度分別設(shè)置為80%和70%，確保影像數(shù)據(jù)的完整。

按以上的方案進(jìn)行3個(gè)架次的飛行，第一架次方案一采集了58張影像，第二架次方案二采集了112張影像，第三架次方案三采集了77張影像。本次實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，具體航線設(shè)計(jì)如圖3所示。

飛行參數(shù) 表2

圖3 航線設(shè)計(jì)

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 三維建模

研究中采用大疆精靈4RTK無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)，將方案一采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Context Capture軟件中進(jìn)行三維建模時(shí)，選擇照相機(jī)為DJI6310R，感應(yīng)器尺寸為 12.833 3 mm和焦距大小為 8.8 mm，然后檢查影像文件，提交空中三角測(cè)量進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景三維建模。具體技術(shù)路線如圖4所示。

為了提高建模的精度，導(dǎo)入控制點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)刺點(diǎn)處理，再次提交工程進(jìn)行空三運(yùn)算處理，隨后進(jìn)行新建重建項(xiàng)目，由于3個(gè)方案的影像數(shù)量較小，所以空間框架中不進(jìn)行切塊設(shè)置，隨后提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，模型構(gòu)建的成果選擇為三維網(wǎng)格格式，空間參考系統(tǒng)選的是WGS84/UTM zone 48N，完成設(shè)定，提交生產(chǎn)項(xiàng)目，得到三個(gè)方案對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景三維模型。

圖4 技術(shù)路線

3.2 模型精度分析

(1)點(diǎn)位精度對(duì)比分析

三維模型的精度驗(yàn)證主要包括3個(gè)方面，分別是平面精度、高程精度、以及特定邊長(zhǎng)的精度評(píng)定[11]。其中，針對(duì)平面精度和高程精度點(diǎn)位精度分析所用到的計(jì)算公式如以下：

(1)

(2)

(3)

(4)

注：△x=X檢-X模，△y=Y檢-Y模，△h=Z檢-Z模

X檢，Y檢，Z檢：分別表示用GPS-RTK實(shí)測(cè)的控制點(diǎn)X，Y，Z坐標(biāo)值。

X模，Y模，Z模：分別表示用清華山維EPS軟件測(cè)得的控制點(diǎn)X，Y，Z坐標(biāo)值。

n：表示控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

首先，為了進(jìn)行平面精度和高程精度分析，將GPS-RTK測(cè)得的野外檢查點(diǎn)坐標(biāo)當(dāng)作檢查真值，基于清華山維EPS軟件平臺(tái)，分別獲取不同飛行方案所對(duì)應(yīng)的3個(gè)模型上的8個(gè)檢查點(diǎn)的坐標(biāo)信息[12]。計(jì)算不同飛行方案中檢查點(diǎn)坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)真值坐標(biāo)的差值如表3所示，據(jù)此進(jìn)行中誤差精度評(píng)定。

不同方案下的檢查點(diǎn)坐標(biāo)差統(tǒng)計(jì) 表3

再根據(jù)計(jì)算平面中誤差和高程中誤差對(duì)三維模型的精度進(jìn)行綜合分析。不同方案獲得模型的坐標(biāo)值以及GPS-RTK獲取的坐標(biāo)信息。

根據(jù)公式計(jì)算得到不同方案下的點(diǎn)位誤差如表4所列。其中利用方案一飛行方案重建三維模型與實(shí)際RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出來Mx為：0.030 3 m；My為：0.011 6 m；Ms為：0.032 5 m；Mh為：0.031 7 m。利用方案二飛行方案重建三維模型與實(shí)際RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出來Mx為：0.027 5 m；My為：0.006 6 m；Ms為：0.028 3 m；Mh為：0.026 1 m。利用方案三飛行方案重建三維模型與實(shí)際RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出來Mx為：0.031 0 m；My為：0.020 2 m；Ms為：0.037 1 m；Mh為：0.032 7 m；具體得平面精度及高程精度如表4所示。

不同方案下的點(diǎn)位中誤差 表4

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)分析得到各方案的平面精度差異不大，高程精度較高，在x方向和y方向上方案二得到的三維模型精度最高；即平面精度最高的是方案二重建得到的模型。高程精度由方案二得到的三維模型精度最高，為 0.026 1 m。

(2)特定邊長(zhǎng)精度分析

首先在外業(yè)選取了3條雕塑上代表性的邊，第一條邊特定邊a1是雕塑底座的高度，第二條特定邊a2是雕塑正面的一條棱線，第三條是雕塑側(cè)面的棱線，量測(cè)其特定邊的長(zhǎng)度作為真實(shí)值，具體測(cè)的特定邊如圖5所示。將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和清華山維EPS軟件里量測(cè)三維模型的特定邊進(jìn)行對(duì)比分析。方案一重建得到的三維模型中量測(cè)的特定邊為：a1的長(zhǎng)度為 1.027 m；a2的長(zhǎng)度為 2.317 m；a3的長(zhǎng)度為 2.565 m。方案二得到的三維模型中量測(cè)的特定邊為：a1得長(zhǎng)度為 1.029 m；a2的長(zhǎng)度為 2.326 m；a3的長(zhǎng)度為 2.596 m；方案三得到的三維模型中量測(cè)的特定邊為：a1的長(zhǎng)度為 1.024 m；a2的長(zhǎng)度為 2.304 m；a3的長(zhǎng)度為 2.548 m。具體的數(shù)據(jù)如表5所示。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，我們可以得出特定邊a1實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與方案一、二、三重建的長(zhǎng)度相差不大，其中精度最高的是方案二，差值為 7 mm；特定邊a2的差值差異較大，方案一與實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)的差值為 34 mm，方案二與實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)的差值為 25 mm，方案三與實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)的差值為 47 mm，通過比較可知對(duì)于特定邊來說方案二的精度最高；特定邊a3的值最接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的是方案二。通過三個(gè)特定邊的比較，方案二重建的三維模型邊長(zhǎng)精度最高。

圖5 實(shí)測(cè)特定邊示意圖

不同方案下的特定邊長(zhǎng)度 表5

(3)紋理特征定性分析

除了主要的平面精度、高程精度以及特定邊長(zhǎng)精度分析以外，本文還通過3個(gè)方案得到的最好視圖進(jìn)行定性的分析。方案一重建模型中紋理特征最清晰的是正視圖，方案二的整體紋理特征較好，最好的視圖是左視圖，方案三最好的視圖是俯視圖，選出3個(gè)方案紋理最好的視圖如圖6所示，對(duì)重建三維模型的紋理進(jìn)行定性的分析。

圖6 三個(gè)方案的最好紋理比較圖

3個(gè)設(shè)計(jì)方案所重建的模型中，方案一的正視圖紋理最清晰，能夠清楚地觀察到正面雕塑的整體線條，雕塑體上的小環(huán)也能較好地觀察到，雕塑中部的圓孔是兩邊相通的，也能觀察得到近似圓孔的形狀，雕塑中部的五花石紋理也較為清楚；對(duì)于方案二的左視圖而言，雕塑上體部分以及雕塑的左側(cè)紋理都較為清楚，表明方案二設(shè)計(jì)方案對(duì)側(cè)面的信息表達(dá)效果較好；方案三的俯視圖能夠很好地觀察到雕塑頂部的線條以及紋理，雕塑底座的圓柱體的俯視面也能很好地觀察出來。

根據(jù)模型的紋理來看，此次設(shè)計(jì)的方案并不是很好，只有3個(gè)視圖的紋理較為完整。如果需要更好的重建三維模型，可以使用五鏡頭的無人機(jī)進(jìn)行井字型飛行；或者在周圍環(huán)境允許的情況下，可以對(duì)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行環(huán)繞飛行，這樣重建三維模型效果會(huì)很好。

4 結(jié)論與展望

本文通過3個(gè)不同的飛行方案，利用免像控?zé)o人機(jī)(大疆精靈4RTK)采集影像數(shù)據(jù)，結(jié)合不同的飛行方案，從而在Context Capture軟件中實(shí)現(xiàn)三維建模，對(duì)不同飛行方案下的三維模型控制點(diǎn)精度，雕塑模型特定邊的長(zhǎng)度作對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：平面精度最高的為方案二，平面精度達(dá)到 0.028 3 m；高程精度最高的是方案二，高程精度達(dá)到 0.026 1 m；根據(jù)特定邊精度的對(duì)比，精度最高的是方案一。通過對(duì)比三個(gè)方案的重建三維模型不同視角的紋理，得出方案一重建的三維模型的正視圖紋理最清晰，方案二重建三維模型的左視圖紋理最清晰，方案三重建三維模型的俯視圖紋理最清晰；從而得到本次3個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，方案二相對(duì)較好。證明了免像控?zé)o人機(jī)對(duì)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行建模具有可行性，為復(fù)雜對(duì)象重建三維模型提供一定的參考。

同時(shí)本次實(shí)驗(yàn)存在一些不足之處：對(duì)于3個(gè)飛行方案，兩個(gè)角度飛行的傾斜攝影測(cè)量，三維模型有一些死角，出現(xiàn)空洞現(xiàn)象；無人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)量小，相對(duì)較細(xì)的紋理不是很清楚；雕塑周圍有較多的樹木遮擋，不利于無人機(jī)的飛行，建模時(shí)雕塑周圍出現(xiàn)較多的拉花現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行建模時(shí)，由于周圍環(huán)境的原因，沒能進(jìn)行環(huán)繞飛行，相對(duì)于周圍空曠的復(fù)雜對(duì)象，我們可以使用環(huán)繞飛行的飛行方案來進(jìn)行建模，復(fù)雜對(duì)象的三維模型精度和紋理都會(huì)更好。隨著無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有更適合復(fù)雜物體建模的飛行方案以及處理方案，需要我們進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究，更多地應(yīng)用到不同的行業(yè)之中。