無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型精度分析

楊 崗

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000）

近年來(lái)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)得到了快速發(fā)展，因其高時(shí)效、高精度、作業(yè)方便靈活等特點(diǎn)在城市規(guī)劃、礦山測(cè)量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。相比于垂直攝影，其只能獲得地物的正射影像，而傾斜攝影測(cè)量可以獲取地物的側(cè)面圖像信息，通過(guò)建模軟件構(gòu)建出更加逼真并帶有空間位置信息的三維模型[1-4]。

本研究以大連理工大學(xué)山上禮堂為研究區(qū)域，利用大疆四旋翼無(wú)人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影，利用Context Capture 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)影像聯(lián)合平差、影響密集匹配、紋理映射等步驟建立三維模型，運(yùn)用中誤差對(duì)模型精度進(jìn)行分析，設(shè)置多組實(shí)驗(yàn)研究不同飛行高度、不同控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型精度的影響。驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建立三維模型的可行性及可靠性。

1 無(wú)人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)域選取以大連理工大學(xué)山上禮堂為中心，形成150 m×200 m 的矩形區(qū)域，實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)包含建筑物、植被、地勢(shì)起伏可以更好地研究?jī)A斜攝影測(cè)量的精度影響因素。本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯匡w行高度和控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型精度的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)際情況，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)六種飛行高度（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m）飛行試驗(yàn)，航向和旁向重疊率均為80%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)通過(guò)大疆公司研制的經(jīng)緯M300 RTK 四旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝，并搭載大疆禪思H20 相機(jī)。

1.3 控制點(diǎn)施測(cè)

為了研究控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型精度的影響，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置24 個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)控制點(diǎn)布控原則，首先在百度地圖上規(guī)劃控制點(diǎn)位置，借助規(guī)劃圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)規(guī)劃圖，見(jiàn)圖1。采用1 m×1 m 的kt板，同時(shí)板上印刷黑白相間的圖案和標(biāo)號(hào)。采用蘇一光RTS 全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量。

圖1 控制點(diǎn)空間分布圖

1.4 傾斜影像獲取

為了構(gòu)建試驗(yàn)區(qū)域的三維模型，并評(píng)估三維模型精度及單體建筑物的體積測(cè)量精度，設(shè)計(jì)六種飛行方案，無(wú)人機(jī)飛行高度分別為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m。對(duì)應(yīng)飛行參數(shù)，見(jiàn)表1。由于采用單鏡頭進(jìn)行傾斜攝影，需要進(jìn)行五次不同方向的飛行拍攝，包含一組正射影像和四組傾斜影像。

表1 飛行參數(shù)

1.5 三維模型構(gòu)建

本文通運(yùn)用Context Capture 軟件進(jìn)行傾影像處理，并建立三維模型。該軟件能夠簡(jiǎn)單、高效的構(gòu)建出精密的三維模型[5-7]。ContextCapture 軟件模型處理流程，見(jiàn)圖2，本次試驗(yàn)共進(jìn)行6 種不同飛行高度和3 種不同控制點(diǎn)的飛行試驗(yàn)方案，共構(gòu)建了18 個(gè)三維模型。進(jìn)而生成三維點(diǎn)云、三維白膜、三角網(wǎng)和實(shí)景三維模型，見(jiàn)圖3。

圖2 三維建模處理流程圖

圖3 三維模型重構(gòu)過(guò)程成果

2 精度分析

本節(jié)對(duì)整體三維模型進(jìn)行平面精度分析和高程精度分析，試驗(yàn)對(duì)于六種不同飛行高度分別選刺3、6、9 個(gè)控制點(diǎn)構(gòu)建模型，共構(gòu)建18 個(gè)三維模型。將模型中檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與實(shí)際檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行差值比較，驗(yàn)證其精度是否滿足相關(guān)精度規(guī)范要求。

2.1 精度評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)

中誤差是反應(yīng)誤差精度的重要指標(biāo)[8]，因此本章將中誤差作為三維模型精度評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：式中：m 為中誤差；n 為樣本個(gè)數(shù)；z 為測(cè)量值與真實(shí)值之差。

通過(guò)計(jì)算實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)與模型中坐標(biāo)的差值來(lái)評(píng)價(jià)三維模型的整體精度，參考國(guó)家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》[10]，見(jiàn)表2。地形精度主要表示地物在地形方面的精度，本文通過(guò)高程中誤差對(duì)模型高程精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表3。

表2 平面精度規(guī)范

表3 地形精度規(guī)范

2.2 三維模型精度分析

飛行高度分別設(shè)置為為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m，三維模型精度誤差情況，見(jiàn)圖4（a 為平面精度，b 為高程精度），當(dāng)飛行高度設(shè)置為為30 m 時(shí)，不同控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)應(yīng)的平面中誤差 分 別 為0.048 m、0.032 m，0.027 m。高程中誤差分別為0.030 m、0.02 m、0.014 m。當(dāng)飛行高度設(shè)置為120 m 時(shí)，不同控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)應(yīng)的平面中誤差分別為0.074 m、0.073 m、0.068 m，高程中誤差分別為0.102 m、0.064 m、0.059 m。

圖4 飛行高度對(duì)模型精度的影響

根據(jù)《平面精度規(guī)范》和《地形精度規(guī)范》，基于傾斜攝影測(cè)量的三維模型平面、高程精度滿足1：500 比例尺的精度要求，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，隨著無(wú)人機(jī)飛行高度增大，三維模型平面和高程誤差均逐漸增大，精度逐步降低。由此得出，飛行高度與模型精度呈反比。

控制點(diǎn)數(shù)量分別為3 個(gè)、6 個(gè)、9 個(gè)，三維模型精度誤差, 見(jiàn)圖5（a 為平面精度，b 為高程精度），當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量為3 個(gè)時(shí)，不同飛行高度下（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、）構(gòu)建的模型平面中誤差分別為0.048 m、0.049 m、0.054m、0.059 m、0.070 m、0.074 m，高程中誤差分別為0.030 m、0.033 m、0.039 m、0.052 m、0.073 m、0.102 m，當(dāng)控制點(diǎn)數(shù)量為9 個(gè)時(shí)，不同飛行高度對(duì)應(yīng)的平面中誤差分別為0.027 m、0.036 m、0.049 m、0.053 m、0.067 m、0.068 m。

圖5 控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)模型精度的影響

3 結(jié)論

通實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型精度滿足《平面精度規(guī)范》和《地形精度規(guī)范》中1：500 比例尺的精度要求，可用于大比例尺數(shù)字測(cè)繪成果的生成，對(duì)不同飛行高度和不同控制點(diǎn)模型進(jìn)行了精度對(duì)比分析，驗(yàn)證了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型精度。并為實(shí)際工程應(yīng)用中飛行高度選擇、控制點(diǎn)數(shù)量設(shè)置提供了一定的技術(shù)參考，進(jìn)一步保障了傾斜攝影測(cè)量的可靠性和三維模型的精確性。