小區(qū)域單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影航線布設(shè)及建模精度研究

藍(lán)貴文, 李壁宏, 凌聰聰, 何廣煥

(1.桂林理工大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541004; 2.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

0 引 言

近年來,無人機(jī)傾斜攝影測量是城市三維重建的重要手段之一[1-4]。目前,為了建設(shè)智慧城市、智慧校園的需要,對于小區(qū)域的街區(qū)、校園實(shí)景三維建模需求日益提高。利用單鏡頭無人機(jī)對小區(qū)域范圍進(jìn)行多角度拍攝,對實(shí)景三維建模,具有實(shí)用性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn),在該領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力[5]。航線布設(shè)方式作為傾斜攝影的重要環(huán)節(jié),直接影響外業(yè)影像采集的高效性及后期建模精度。因此,需要對文章提出的井字型航線、折線型航線以及對角交叉型航線的布設(shè)方式分別進(jìn)行探討。

文獻(xiàn)[6]利用多旋翼單鏡頭無人機(jī),對同一建筑物進(jìn)行不同航線的規(guī)劃,構(gòu)建該建筑物的三維模型,并從模型的完整性和地面點(diǎn)位精度2個(gè)方面對不同航線建模方法進(jìn)行評述;文獻(xiàn)[7]利用消費(fèi)級無人機(jī)對小區(qū)域進(jìn)行傾斜影像獲取及三維模型構(gòu)建,根據(jù)消費(fèi)級無人機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)其航線,并對三維模型進(jìn)行精度分析;文獻(xiàn)[8]采用四旋翼無人機(jī)航拍復(fù)雜地形,構(gòu)建地面三維模型,獲取地物點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行精度評定,探討三維模型在復(fù)雜地形輔助測量的適用性;文獻(xiàn)[9]針對傳統(tǒng)的無人機(jī)航線規(guī)劃大都只考慮垂直拍攝角度而不考慮傾斜拍攝角度的不足,結(jié)合滑坡地區(qū),對比同一測區(qū)垂直攝影與傾斜攝影的結(jié)果進(jìn)行分析。

在諸多的研究中,針對校園小區(qū)域的研究相對較少,本文根據(jù)前人的研究,結(jié)合校園具體情況,提出利用四旋翼消費(fèi)級單鏡頭無人機(jī),采用井字型航線、折線型航線、對角交叉型航線,分別采集實(shí)驗(yàn)區(qū)域的影像數(shù)據(jù)。利用Context Capture三維建模軟件建立校園研究區(qū)三維模型,并對三維模型成果精度進(jìn)行分析比較。

1 單鏡頭無人機(jī)三維建模關(guān)鍵技術(shù)

1.1 不同航線下影像采集方法

1.1.1 井字型航線影像獲取方法

井字型航線如圖1所示。

圖1 井字型航線

井字型航線的核心思想是無人機(jī)飛行路徑為井字型,即無人機(jī)從后視、前視、左視、右視4個(gè)角度獲取地面完整的地面信息,由4個(gè)方向的航線連接而成的飛行軌跡是井字型[10]。為實(shí)現(xiàn)單鏡頭與專業(yè)五鏡頭獲取傾斜影像的相似效果,需要地面站控制和設(shè)置鏡頭角度,從前、后、左、右、垂直5個(gè)角度對研究區(qū)域?qū)崿F(xiàn)傾斜影像的采集[11]。圖1中小三角形方向?yàn)闊o人機(jī)拍攝視角。

1.1.2 折線型航線影像獲取方法

折線型航線如圖2所示。其核心思想是通過分別從后視、前視、左視、右視4個(gè)視角獲取傾斜影像。圖2b所示為折線型航線局部放大圖,其中箭頭方向?yàn)闊o人機(jī)飛行方向,小三角形為無人機(jī)拍攝視角,航帶3云臺鏡頭角度為-90°。

圖2 折線型航線

1.1.3 對角交叉型航線影像獲取方法

對角交叉型航線如圖3所示,其核心思想是使2個(gè)網(wǎng)帶式航線垂直疊加,分別從垂直、對角2個(gè)視角獲取地物信息影像數(shù)據(jù)。采用對角交叉型航線,可獲取研究區(qū)地物4個(gè)側(cè)面方向的傾斜影像[12]。圖3b中小三角形方向?yàn)闊o人機(jī)拍攝視角。

圖3 對角交叉型航線

1.2 精度驗(yàn)證方法

為了評定3種航線布設(shè)方式所構(gòu)建三維模型的精度,本文將從模型完整性、點(diǎn)位平面誤差、高程殘差和平面中誤差進(jìn)行驗(yàn)證。

利用檢核點(diǎn)三維坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)與模型三維坐標(biāo)(Xj,Yj,Zj),進(jìn)行計(jì)算得到三維坐標(biāo)值殘差(ΔX,ΔY,ΔZ),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1)

根據(jù)X、Y、Z3個(gè)方向的坐標(biāo)值殘差,由點(diǎn)位平面誤差公式分別計(jì)算得到3種三維模型檢核點(diǎn)的點(diǎn)位平面誤差,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(2)

其中,n為檢核點(diǎn)的數(shù)量。

根據(jù)X、Y、Z3個(gè)方向的坐標(biāo)值殘差,通過中誤差公式分別計(jì)算得到3種三維模型X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸方向的中誤差,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(3)

(4)

(5)

(6)

2 不同航線下三維重建實(shí)例

2.1 測區(qū)概況及像控點(diǎn)的布設(shè)與測量

本文選取桂林理工大學(xué)(雁山校區(qū))的典型區(qū)域進(jìn)行研究,研究區(qū)域面積約為0.19 km2。像控點(diǎn)的布設(shè)方式與測量精度對三維模型成果精度具有較大影響。因此,本文采用紅白相間的標(biāo)志作

為像控點(diǎn),布設(shè)方案采用邊緣均勻布設(shè),內(nèi)部少量布設(shè)的原則,故在研究區(qū)共布設(shè)8個(gè)像控點(diǎn),利用網(wǎng)絡(luò)RTK量測像控點(diǎn),坐標(biāo)系統(tǒng)為國家CGCS2000坐標(biāo)系。

2.2 影像數(shù)據(jù)獲取

本文實(shí)驗(yàn)采用大疆Phantom 4 Pro消費(fèi)級單鏡頭無人機(jī),搭載2.54 cm 2 000×104像素CMOS傳感器捕捉高清影像。井字型航線、折線型航線及對角交叉型航線通過DJI GS Pro地面站實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)域的影像采集。為了便于不同航線建模精度的比較,對每一種航線設(shè)置相同的航向重疊度、旁向重疊度和航高,具體信息見表1所列。

表1 不同航線下的飛行參數(shù)

3 不同航線下的三維模型對比分析

3.1 模型完整性

選取模型中具有代表性的局部區(qū)域,從模型的變形程度和模型紋理細(xì)節(jié)對比分析3種不同航線下模型的優(yōu)越性。

3種航線下建筑物模型屋頂區(qū)域?qū)Ρ热鐖D4所示。由圖4可知,3種不同航線下模型均沒有明顯的變形,但紋理均有缺失。對角交叉型航線三維模型紋理缺失比較嚴(yán)重,建筑物頂部墻體存在較多的空洞;折線型航線三維模型也有上述情況,但空洞數(shù)量略少于對角交叉型航線;井字型航線三維模型具有較少的空洞,模型完整性最好。

圖4 不同航線下建筑物模型屋頂部分對比

不同航線下建筑物模型墻面部分對比如圖5所示。

由圖5可知，對于建筑物墻面部分,對角交叉型航線三維模型存在比較明顯的變形和紋理缺失;而折線型航線和井字型航線三維模型完整性表現(xiàn)較好且變形程度較小。

圖5 不同航線下建筑物模型墻面部分對比

3.2 檢核點(diǎn)精度

在三維模型中選取10個(gè)檢核點(diǎn),以RTK實(shí)測值作為坐標(biāo)真值,求出3組模型檢核點(diǎn)的各項(xiàng)誤差。高程殘差結(jié)果如圖6所示，點(diǎn)位平面誤差結(jié)果見表2所列。

3種三維模型的X坐標(biāo)軸方向、Y坐標(biāo)軸方向中誤差、平面中誤差、高程中誤差結(jié)果見表3所列。

圖6 不同航線下三維模型檢核點(diǎn)高程殘差曲線對比

表2 不同航線下三維模型點(diǎn)位平面誤差統(tǒng)計(jì) 單位:m

表3 不同航線下三維模型中誤差比較

由表2、表3、圖6可知,在3種航線布設(shè)方式所構(gòu)建的三維模型精度中,井字型航線三維模型點(diǎn)位平面誤差最大為0.039 3 m,高程中誤差最大為0.046 1 m;折線型航線三維模型點(diǎn)位平面誤差最大為0.046 2 m,高程中誤差最大為0.069 4 m; 對角交叉型航線三維模型點(diǎn)位平面誤差最大為0.071 0 m,高程中誤差最大為0.075 1 m。對角交叉型航線模型的點(diǎn)位平面誤差平均值、平面中誤差、高程殘差平均值、高程中誤差均比井字型航線模型及折線型航線模型略低,但精度完全滿足規(guī)范中規(guī)定的Ⅰ級產(chǎn)品要求。井字型航線和折線型航線布設(shè)方式有利于提高三維模型成果的平面與高程精度,但存在外業(yè)航拍效率低、飛行成本較高、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處理時(shí)間久等問題。

4 結(jié) 論

本文面向校園、街區(qū)等小區(qū)域范圍,利用消費(fèi)級單鏡頭無人機(jī),研究了不同航線布設(shè)方式對三維模型精度的影響,分別采用井字型航線、折線型航線、對角交叉型航線對校園典型區(qū)域進(jìn)行影像采集與數(shù)據(jù)處理,并對不同的航線布設(shè)方式所構(gòu)建的三維模型的平面及高程精度進(jìn)行了比較分析。3種航線布設(shè)方式所構(gòu)建的三維模型精度均滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中Ⅰ級產(chǎn)品的要求。