基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的精細(xì)化三維模型精度分析

毛志芳 張華平

(江西省地質(zhì)局地理信息工程大隊(duì), 江西 南昌, 330000)

0 引言

我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快發(fā)展的階段,對(duì)于地理信息產(chǎn)業(yè)要求越來(lái)越高。只有建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字城市地理空間框架,才能實(shí)現(xiàn)各種信息集成,滿足城市科學(xué)、穩(wěn)定、快速的可持續(xù)發(fā)展需求。

三維信息采集和三維模型的大批量構(gòu)建對(duì)數(shù)字城市建設(shè)極其重要。構(gòu)建三維模型的方法有很多,比如手工建模、三維激光掃描建模、機(jī)載雷達(dá)建模、傾斜攝影測(cè)量建模等。近年來(lái),隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,傾斜攝影測(cè)量三維建模方法突破了傳統(tǒng)建模方法數(shù)據(jù)采集慢、建模周期長(zhǎng)的缺點(diǎn),大大提高了建模效率,同時(shí)也降低了建模成本,極大地提高了傾斜模型在各行各業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景。因此,研究?jī)A斜攝影三維建模技術(shù)精度影響因素對(duì)于大規(guī)模建立實(shí)景三維模型、推動(dòng)數(shù)字城市建設(shè)意義重大。

1 傾斜攝影三維建模的基本原理與方法

使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建主要分為兩步：野外數(shù)據(jù)采集和三維模型構(gòu)建。

野外數(shù)據(jù)采集包括控制點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)、使用無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載鏡頭采集帶有三維信息的航攝相片。盡管一些學(xué)者研究出了免像控三維建模的方法,但是這種建模方式往往精度較差,模型效果也不好,因此本文仍選擇布設(shè)與量測(cè)像控點(diǎn)。采集航攝相片主要有兩種方式：一種是單鏡頭采集方式,一種是五鏡頭采集方式。兩種方式原理相同,都是采集垂直角度和前、后、左、右4個(gè)傾斜角度5個(gè)方向的地表影像(圖1),只是外業(yè)作業(yè)方式不同,工作效率也不同。單鏡頭采集方式采用搭載可旋轉(zhuǎn)方向的單鏡頭無(wú)人機(jī)通過(guò)井字飛行方式分別采集五個(gè)方向的地表影像,硬件成本低,但是航攝工作更加繁復(fù),效率也低;五鏡頭采集方式采用搭載五鏡頭的無(wú)人機(jī)同時(shí)采集5個(gè)角度的地表影像,硬件成本相對(duì)較高,但工作效率大大提高,更有利于需要大范圍野外采集航攝數(shù)據(jù)及需要進(jìn)行大批量?jī)A斜模型構(gòu)建的項(xiàng)目。

圖1 五鏡頭采集方法示意圖

隨著技術(shù)的發(fā)展,建模軟件也開發(fā)得比較成熟,自動(dòng)化程度較高,模型構(gòu)建方法主要包括以下5個(gè)步驟：影像稀疏匹配、空中三角測(cè)量、影像密集匹配生成密集點(diǎn)云、通過(guò)密集點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng),自動(dòng)紋理映射生成實(shí)景三維模型。

2 控制點(diǎn)數(shù)量和航高對(duì)傾斜模型的精度影響

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了能夠更好地模擬城市精細(xì)化三維建模,實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)需包含城市綠地、硬化道路、多層建筑物、橋梁等城市的基本要素,故選擇位于某市大學(xué)校區(qū)內(nèi)的測(cè)區(qū)A,如圖2所示。該測(cè)區(qū)以一圖書樓為中心,是邊長(zhǎng)為300 m的正方形測(cè)區(qū)。

圖2 測(cè)區(qū)示意圖

控制點(diǎn)數(shù)量和航高的設(shè)計(jì)對(duì)城市精細(xì)化建模內(nèi)、外業(yè)工作效率影響較大,同時(shí)也影響著傾斜模型的精度。為了分析控制點(diǎn)數(shù)量與航高對(duì)傾斜模型精度的影響,本文設(shè)計(jì)了4種控制點(diǎn)布設(shè)方案和5種不同的航高方案交叉生成20種模型。在300 m的正方形測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)25個(gè)測(cè)點(diǎn),分別選取3、6、9、12個(gè)測(cè)點(diǎn)為控制點(diǎn),其余點(diǎn)為檢測(cè)點(diǎn),用于對(duì)傾斜模型精度的檢測(cè),如圖3所示。使用全站儀和水準(zhǔn)儀測(cè)出25個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖3 控制點(diǎn)布設(shè)方案

本實(shí)驗(yàn)使用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭采集地表影像,航高分別設(shè)定為80、100、120、140、160 m,旁向重疊度為75%,航向重疊度為80%,共采集了905張相片,飛行方案如表1所示。

表1 飛行方案

2.2 精度分析

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種點(diǎn)位布設(shè)方案和5種航高設(shè)計(jì)方案,共交叉生成了20種傾斜模型,通過(guò)計(jì)算檢查點(diǎn)的均方根誤差即中誤差,對(duì)這20個(gè)模型分別進(jìn)行模型整體精度評(píng)價(jià),結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型精度分析圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,20個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中,當(dāng)航高為80 m,控制點(diǎn)數(shù)量為12個(gè)時(shí),傾斜模型精度最高,平面精度為3.4 cm,高程精度為3.1 cm;當(dāng)航高為160 m,控制點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)時(shí),傾斜模型精度最低,平面精度為14.9 cm,高程精度為16.5 cm。參照CityGML標(biāo)準(zhǔn)對(duì)精細(xì)模型的精度要求,20個(gè)傾斜模型均滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求的0.2 m的平面和高程精度。

由圖4可知,當(dāng)飛行高度相同時(shí),傾斜模型的平面精度和高程精度隨控制點(diǎn)數(shù)量的增多而提高;當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量相同時(shí),傾斜模型的平面精度和高程精度隨飛行高度的降低而提高。當(dāng)控制點(diǎn)為3個(gè)時(shí),傾斜模型已經(jīng)有較好的精度。隨著航高的降低,雖然傾斜模型精度會(huì)提高,但是無(wú)人機(jī)獲取的相片會(huì)增多,內(nèi)、外業(yè)工作效率都會(huì)相應(yīng)降低。因此,在滿足項(xiàng)目精度要求的前提下,適當(dāng)選擇稍大的飛行高度,能夠提高工作效率、節(jié)約項(xiàng)目成本。

3 POS數(shù)據(jù)對(duì)傾斜模型的精度影響

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

空中三角測(cè)量是構(gòu)建傾斜模型最重要的步驟之一,它有像控點(diǎn)定向和定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system，POS)定向兩種絕對(duì)定向方式。POS數(shù)據(jù)記錄了無(wú)人機(jī)在拍照時(shí)的坐標(biāo)信息,由于風(fēng)力等因素,往往精度不高。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了在空三測(cè)量的過(guò)程中,POS數(shù)據(jù)能否輔助像控點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定向,對(duì)傾斜模型精度有無(wú)影響。選擇位于某市大學(xué)校區(qū)內(nèi)的宿舍樓為測(cè)區(qū)B,研究對(duì)象為測(cè)區(qū)內(nèi)的七棟16 m高的五層宿舍樓和數(shù)棟單層建筑,如圖5所示。

圖5 測(cè)區(qū)示意圖

本實(shí)驗(yàn)使用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭采集測(cè)區(qū)影像,航高設(shè)定為100 m,旁向重疊度為80%,航向重疊度為85%,共采集了1 440張相片。在測(cè)區(qū)均勻布設(shè)42個(gè)測(cè)點(diǎn),并用全站儀與水準(zhǔn)儀量測(cè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),選擇其中13個(gè)為控制點(diǎn)，如圖6所示,另外29個(gè)為精度檢測(cè)點(diǎn),其中9個(gè)為平面檢測(cè)點(diǎn),20個(gè)為建筑上容易辨識(shí)的房角點(diǎn)。

圖6 像控點(diǎn)與航帶分布圖

通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行實(shí)景三維模型的構(gòu)建,共構(gòu)建了兩個(gè)傾斜模型,一個(gè)有POS數(shù)據(jù)輔助,一個(gè)無(wú)POS數(shù)據(jù)輔助,兩個(gè)模型均構(gòu)建完整。但是在細(xì)節(jié)處兩者有所不同,如圖7所示,無(wú)POS輔助的三維模型局部細(xì)節(jié)處能看到明顯的扭曲,有POS輔助的模型則更加精細(xì)。

(a)有POS輔助三維模型

(b)無(wú)POS輔助三維模型

3.2 精度分析

將29個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分為兩組,分別是9個(gè)地面檢測(cè)點(diǎn)和20個(gè)房角點(diǎn)檢測(cè)點(diǎn)。針對(duì)有無(wú)POS輔助構(gòu)建的三維模型,分別對(duì)這兩組檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度分析,結(jié)果如表2、表3所示。

表2 地面檢測(cè)點(diǎn)精度表 單位：cm

表3 房角檢測(cè)點(diǎn)精度表 單位：cm

由表2可知,針對(duì)地面檢測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō),有POS輔助與無(wú)POS輔助生成的傾斜模型精度無(wú)明顯差距,兩者精度都很高,有POS輔助模型地面檢測(cè)點(diǎn)的平面和高程精度沒有明顯提升。由表3可知,針對(duì)房角檢測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō),有POS輔助生成的模型平面精度明顯提高,提高了約三分之一,由分米級(jí)提升為厘米級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)兩個(gè)測(cè)區(qū)的實(shí)驗(yàn),分別研究了像控點(diǎn)數(shù)量、航高、POS輔助對(duì)城市精細(xì)化三維模型精度的影響。證明了像控點(diǎn)數(shù)量提高、航高降低都會(huì)提高傾斜模型的精度,有POS輔助生產(chǎn)的模型能夠提高房角點(diǎn)的平面精度,也能提高模型局部精細(xì)化程度,但是對(duì)于精度較高的地面精度無(wú)明顯影響。同時(shí)本文也驗(yàn)證了基于低空無(wú)人機(jī)的城市精細(xì)化建模方法的可行性,給城市精細(xì)化建模相關(guān)項(xiàng)目提供了參考。