基于免像控的公路傾斜攝影模型精度分析

曾慶桓

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430000)

免像控能有效減輕外業(yè)工作的繁瑣程度，但具有實景模型精度較低的缺點。公路的實景建模在國內(nèi)外屢見不鮮，但受制于路上車輛的影響，且公路“帶”狀特點極其明顯，實現(xiàn)高精度免像控技術(shù)尤為艱難。因此急需一種通用方法完成“帶”狀構(gòu)筑物的高精度免像控實景建模。

一、實景三維重建技術(shù)

（一）航測基本原理

通過無人機航測獲得序列像片，篩選所獲得的影像并剔除基線過長的像片，如式1所示，在空中還原樣片平面中的點，如式2所示，然后通過多張像片的空三匹配可得到網(wǎng)格模型。

其中，B為基線長度；Lx為像片寬度；m為平均像元的地面影像分辨率；q為航向重疊度

（二）單鏡頭無人機高效影像采集關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)單鏡無人機航拍受軟件規(guī)劃限制，利用五視(前視、后視、左視、右視、下視)拍攝原則通常需要執(zhí)行5個飛行任務(wù)。相比五鏡頭無人機采集效率低且受電池運行時長影響較大的缺點，研究發(fā)現(xiàn)單鏡頭無人機多圓區(qū)域環(huán)飛方式通過設(shè)置單圓拍攝數(shù)量n和相鄰圓重疊率p及相機角度q，能有效改善傳統(tǒng)單鏡頭影像采集效率，以少數(shù)影片從多視角方向獲取地面的豐富數(shù)據(jù)。

（三）顧及曝光延遲的區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)

要實現(xiàn)免像控的基本原則需要控制像片偏移、曝光延遲、漂移等會影像平差算法的因素，因此需要建立顧及曝光延遲區(qū)域網(wǎng)平差模型來適應(yīng)經(jīng)濟型單鏡頭無人機，而傳統(tǒng)光束法局限于高端無人機配置問題，經(jīng)濟性較差。

二、實驗方案測區(qū)

（一）試驗區(qū)及設(shè)備介紹

以某學校的主干道路為例，測區(qū)長度700m、寬度為12.5m，道路的兩側(cè)分布了人工湖，在一定程度上符合公路周邊分布特點。航測設(shè)備為大疆精靈4RTK，分別以兩種形式來完成測區(qū)道路的實景建模。之后通過驗證道路中心線、檢查點中誤差、地面影像分辨率，論證2種形式的精度，用于實際項目的應(yīng)用模式論證。

（二）試驗流程及參數(shù)介紹

在測區(qū)分別執(zhí)行傳統(tǒng)五架次和環(huán)繞航線規(guī)劃任務(wù)。

傳統(tǒng)五架次：通過設(shè)置飛控參數(shù)對所拍攝區(qū)域（前視、后視、左視、右視、下視）取景往往存在一些問題。例如，由于采用的設(shè)備是經(jīng)濟型無人機，飛行時間受規(guī)范限制。在正射任務(wù)完成后，執(zhí)行4個角度的傾斜拍攝。飛行設(shè)置參數(shù)分別為航向重疊率70%、旁向重疊率60%、航高120m、傾斜角45°。

區(qū)域環(huán)飛：能快速減少無人機拍攝的照片，同時不失質(zhì)量地完成目標物重建工作。與傳統(tǒng)五架次相比能縮短時間，有效避免數(shù)據(jù)量的沉余。區(qū)域環(huán)飛可通過設(shè)置圓半徑和方向數(shù)完成重疊區(qū)域的航線規(guī)劃。參數(shù)為航高120m、圓半徑78m、傾斜角45°、單圓方向數(shù)30，即以單圓圓心為對焦點，繞圓拍攝的照片以45°傾斜向下取景。

（三）試驗結(jié)果對比

1.采集數(shù)據(jù)對比

通過五架次和區(qū)域環(huán)飛采集方式的數(shù)據(jù)對比可知，區(qū)域環(huán)飛的飛行時長比五架次節(jié)省39.5%，覆蓋面積更大，且采集照片數(shù)量少于五架次，地面影像分辨率為3.5cm/pix。

2.免像控精度誤差分析

通過TIN網(wǎng)格模型找到檢查點點位分析中誤差，分析結(jié)果如表1和表2所示。其中代表區(qū)域環(huán)飛的點位。通過計算可知中誤差小于

表1 五架次檢查點中誤差分析表

表2 區(qū)域環(huán)飛檢查點中誤差分析表

3.試驗小結(jié)

在飛行時間效率上區(qū)域環(huán)飛方式節(jié)省了39.5%的時間，均采用了免像控的方式建模，對比檢查點的中誤差、空間偏移值都符合高精度的實景建模精度。數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，區(qū)域環(huán)飛的方式針對“帶狀”特點的構(gòu)筑物具有明顯優(yōu)勢，且能有效提高照片的利用率，從而使免像控的方式能夠普遍應(yīng)用。

三、實際項目應(yīng)用

（一）數(shù)據(jù)采集區(qū)域介紹

以某山區(qū)高速公路為主體，其包含2個高速互通區(qū)域，全線長9.7km，高度落差最大為35m。由于公路相對于房屋建筑屬于“帶狀”構(gòu)筑物，傾斜攝影建模難道較大。建模目的是，為新路老路互通導(dǎo)改的BIM項目建立實景三維模型，高精度的實景道路模型可借助模型經(jīng)緯坐標實現(xiàn)BIM模型的基準定位，且能補充周邊環(huán)境模型，從而有助于BIM項目進一步推進實現(xiàn)“BIM+GIS”平臺融合。

（二）采集方案比選

公路多為帶狀構(gòu)筑物，長度長且寬度窄。在航線設(shè)計時，可能導(dǎo)致重疊度指標過大，前方交匯點坐標的高程誤差增加，從而降低平面精度。環(huán)繞弧形交叉航線，需要先剔除基線過短的情況，避免高程失鎖，從而彌補傳統(tǒng)五架次飛行的缺點，在一定程度上可以提高拍照效率。

（三）數(shù)據(jù)采集與處理

采集設(shè)備為前期試驗設(shè)備大疆精靈4RTK，設(shè)置環(huán)繞參數(shù)為航高120m、圓半徑108m、傾斜角45°、單圓方向數(shù)30，采集照片數(shù)量為4234張，剔除基線過短及曝光嚴重的照片108張，照片的有效使用率為97.4%。采集完成后使用ContextCapture重建。

經(jīng)過鏡頭調(diào)參、平差選擇、空中三角測量計算、生成網(wǎng)格、紋理映射等一些列操作得到實景三維模型。

（四）精度校核

使用檢查點校核實景模型精度和中誤差精度，同時計算整體地面影像分辨率，可得22個檢查點3個方向的中誤差分別為0.038m、0.037m、0.043m，地面影像分辨率為4.5cm/pix，可滿足山地測圖比例1：500的規(guī)范標準。

四、結(jié)語

本文研究了“帶”狀構(gòu)筑物免像控實景建模方法，通過顧及曝光延遲的區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)作為免像控的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上提出針對“帶”狀構(gòu)筑的區(qū)域環(huán)飛方式。通過對比試驗區(qū)五架次航拍和區(qū)域環(huán)飛航拍，分析出區(qū)域環(huán)飛能夠有效提高照片采集效率及利用率，以少數(shù)且高質(zhì)量的照片完成免像控的實景建模。利用區(qū)域環(huán)飛的方式解決了實際項目 “帶”狀構(gòu)筑物的免像控實景建模，為“帶”狀構(gòu)筑物實景建模提供了研究基礎(chǔ)。