無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模及其精度分析

湯昭輝 萬(wàn) 燦

(重慶交通大學(xué) 智慧城市學(xué)院, 重慶 400074)

0 引言

攝影測(cè)量技術(shù)在攝影技術(shù)發(fā)展的歷史進(jìn)程中經(jīng)歷了三個(gè)主要階段,分別為模擬攝影測(cè)量階段、解析攝影測(cè)量階段以及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段,并且目前已經(jīng)全方位地進(jìn)入了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量階段[1]。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是將傳統(tǒng)的航拍技術(shù)融入數(shù)字地面采集技術(shù),在航空飛機(jī)上安裝了多鏡頭相機(jī)或多種類型的感應(yīng)器而構(gòu)成的。此技術(shù)克服了傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)只能從豎直方向角提取地面圖像的局限性,可以同時(shí)從豎直方向角和多個(gè)傾斜方向角得到影像數(shù)據(jù),以達(dá)到獲取反映地面真實(shí)情況的目的[2]。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)提供了一種快速、高效地生產(chǎn)4D產(chǎn)品的技術(shù),并且在地圖測(cè)繪、城市建設(shè)、交通指揮、建筑物維修等方面扮演著積極的身份[3]。其中，4D指數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)、數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數(shù)字線劃地圖(digital line graphic,DLG)和數(shù)字柵格地圖(digital Raster graphic,DRG)。由于傾斜攝影測(cè)量法的出現(xiàn)較晚,因此沒有針對(duì)該模型精度的特定評(píng)估系統(tǒng)。然而,對(duì)傾斜攝影測(cè)量模型進(jìn)行精度評(píng)價(jià)的同時(shí)也可以促進(jìn)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,這對(duì)將該技術(shù)應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域會(huì)更有幫助,因此要將重點(diǎn)放在建立三維模型的精度評(píng)價(jià)體系上[4]。

1 無(wú)人機(jī)低空航攝的主要流程

1.1 飛行準(zhǔn)備

接受飛行任務(wù),確定飛行實(shí)驗(yàn)區(qū)域,首先進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量,即在實(shí)驗(yàn)區(qū)均勻布設(shè)控制點(diǎn),獲取控制點(diǎn)的坐標(biāo),然后在進(jìn)行航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)置參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)所要求的條件,確定好航線、航高、飛行速度以及重疊度的參數(shù)[5]。

1.2.1選擇航高

根據(jù)影像的實(shí)際用途,聯(lián)合各種比例尺成圖的要求以及地面地形情況,再參考測(cè)圖比例尺精度,即測(cè)圖比例尺及其對(duì)應(yīng)的地面分辨率選取相應(yīng)的地面分辨率,最后根據(jù)式(1)得到航高[6]。

(1)

其中,H攝影航高;D為地表分辨率;f為物鏡焦距;i為相機(jī)像素尺寸。

1.2.2影像重疊度

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,像片重疊應(yīng)該滿足以下基本要求：航向重疊度在通常情況下應(yīng)該為 60%～80%,但不得小于53%;旁向重疊度在通常情況下應(yīng)該為 15%～60%,但不得小于8%。

1.2.3航線設(shè)計(jì)

按照測(cè)區(qū)尺寸大小,制定出無(wú)人機(jī)飛行航向和航線的長(zhǎng)度,并且航線的數(shù)量不少于6條且為雙數(shù),還有就是按照表達(dá)式計(jì)算攝影基線的長(zhǎng)度,由式(2)、式(3)推算出航線間隔寬度[7-9]。

其中,Lx為實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)地航攝長(zhǎng)度;Wx為航線旁向間距;Ix為幅長(zhǎng);Iy為幅寬;Cx為航線重疊度;Cy為旁向重疊度。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

本次實(shí)驗(yàn)采用了河北工程大學(xué)新校區(qū)部分場(chǎng)地為試驗(yàn)區(qū)域。河北工程大學(xué)地處于河北省邯鄲市偏東部區(qū)域。校內(nèi)有格式建筑,如教學(xué)樓、圖書館、宿舍園地等。本次實(shí)驗(yàn)區(qū)的經(jīng)緯度范圍為：114°35′34.44″E～114°35′50.68′E,36°39′23.36″N～36°39′37.01″N,南北方向長(zhǎng)504.61 m,東西方向長(zhǎng)506.74 m。

2.2 航攝數(shù)據(jù)

本研究采用河北工程大學(xué)新校區(qū)部分場(chǎng)地的影像,其航攝影像數(shù)據(jù)總共有332張,包括垂直影像數(shù)據(jù)和傾斜影像數(shù)據(jù)。為保證影像數(shù)據(jù)的完整性,飛行航攝的范圍要稍微大于實(shí)驗(yàn)區(qū)域的范圍,試驗(yàn)區(qū)域航攝的相關(guān)參數(shù)如表1所示。本次的影像數(shù)據(jù)大小為12.1 GB,經(jīng)檢驗(yàn)篩選,其質(zhì)量過關(guān)。

表1 航攝技術(shù)相關(guān)參數(shù)

2.3 控制點(diǎn)數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)區(qū)布設(shè)并測(cè)量了12個(gè)像控點(diǎn)點(diǎn),均勻分布在試驗(yàn)區(qū)內(nèi),坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)。其中，6個(gè)為建模使用到的控制點(diǎn),剩下的內(nèi)部檢查點(diǎn)用于對(duì)模型精度的絕對(duì)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 研究方法

通過無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)河北工程大學(xué)新校區(qū)進(jìn)行航攝,獲得相應(yīng)的影像數(shù)據(jù),利用Smart3D 進(jìn)行實(shí)景三維模型的建立,得到試驗(yàn)區(qū)的DOM、DEM、數(shù)字地表模型(digital surface model,DSM)以及三維點(diǎn)云;最后進(jìn)行初步的精度評(píng)判或者某些獨(dú)特的設(shè)施進(jìn)行理論上的精度評(píng)判,然后在試驗(yàn)區(qū)選取特定檢測(cè)點(diǎn),通過外業(yè)的實(shí)地測(cè)量得到待定點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù),從而評(píng)價(jià)實(shí)景三維模型的具體精度狀況,分析可能的影響因素[10-11]。具體技術(shù)路線如圖1所示。

注：①定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS);②不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN)。圖1 技術(shù)路線

3.1 基于Smart3D構(gòu)建三維模型

為保證后期建模成果的質(zhì)量,建模前應(yīng)注意航攝影像數(shù)據(jù)采光情況以及圖像畸變等問題[12]。利用Smart3D構(gòu)建試驗(yàn)區(qū)域的三維建模。

三維建模的成果可在Acute3D Viewer 界面進(jìn)行瀏覽。經(jīng)過匹配、內(nèi)定向、約束平差、空中三角測(cè)量等生成三維實(shí)景模型如圖2所示。

圖2 三維模型生成

3.2 模型精度評(píng)價(jià)及分析

3.2.1相對(duì)精度

對(duì)于Smart3D構(gòu)建出的三維模型,首先可以從相對(duì)精度上對(duì)模型進(jìn)行分析[13]。相對(duì)精度分析即是通過對(duì)特征明顯的地物,如建筑物、跑道、走廊等,并用測(cè)距儀、全站儀等測(cè)繪儀器多次量測(cè)取平均值;然后打開模型并找到與實(shí)地測(cè)量相對(duì)應(yīng)的地方,利用量測(cè)工具測(cè)出對(duì)照值;最后計(jì)算出模型量測(cè)值與實(shí)地測(cè)量值的偏差并分析結(jié)果。

使用毫米級(jí)測(cè)距儀和全站儀量取了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)教學(xué)樓、樓道、道路的長(zhǎng)度和高度,記錄下測(cè)量地點(diǎn)。為了確保精確度的準(zhǔn)確性,距離量取是盡量使量取時(shí)的高差小于1 cm,如表2所示。

表2 相對(duì)精度對(duì)比分析 單位：m

從表2中可以看出模型長(zhǎng)度誤差大為0.252 m,最小誤差為-0.023 m,相差了0.228 m,并且中誤差為0.237,其誤差都要低于0.3 m。其中第7組為建筑物間距測(cè)量,第3組和第4組為建筑物的高度測(cè)量,其余的為建筑物、道路、階梯、長(zhǎng)度測(cè)量,從數(shù)據(jù)結(jié)果和測(cè)量方式來看,可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：①第7組的誤差最大,測(cè)量的是建筑物之間的距離,叢圖高差有-12.37 cm,因此可能產(chǎn)生的原因是測(cè)量時(shí)的距離是斜距,而需要的是平距;②第3組和第4組誤差其次,測(cè)量的是建筑物的高度,因此可能產(chǎn)生的原因是模型生產(chǎn)時(shí)角點(diǎn)的偏差較大。剩下的誤差都比較小,精度較高。

綜上所述,在模型中進(jìn)行量測(cè)時(shí),應(yīng)該盡量選擇高差相差不大、遮擋物較少的地方,并且選擇要選擇清晰的角點(diǎn)量取高度。

3.2.2絕對(duì)精度

建立三維模型很重要的方面是代替大比例尺測(cè)圖,為了解決本次所構(gòu)建的三維模型是否能達(dá)到其要求的精度這個(gè)問題,以下將計(jì)算絕對(duì)精度[14]。

(1)平面精度：加載模型,并用內(nèi)置工具測(cè)量待定檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),最后與實(shí)測(cè)控制點(diǎn)對(duì)比求得中誤差。查閱相關(guān)規(guī)范得到大比例尺測(cè)圖地物點(diǎn)平面相關(guān)精度要求。

控制點(diǎn)與模型待定點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)照如表3所示,為了確保數(shù)據(jù)的保密性,控制點(diǎn)前三位數(shù)用*號(hào)表示。其中,X為控制點(diǎn)橫坐標(biāo);Y為控制點(diǎn)縱坐標(biāo);Z為控制點(diǎn)高程;X′為三維控制點(diǎn)橫坐標(biāo);Y′為三維控制點(diǎn)縱坐標(biāo);Δx為X與X′的差值;Δy為Y與Y′的差值;Δxy為平面誤差。

表3 平面點(diǎn)精度分析表 單位：m

從表3中可以得出結(jié)論,模型平面精度的情況為：該模型的X方向的中誤差為0.182 m,Y方向的中誤差為0.184 m;最大平面坐標(biāo)誤差為0.430 m,最小平面坐標(biāo)誤差為0.036 m,平面坐標(biāo)中誤差為0.249 m小于0.25 m,其精度剛好滿足大比例尺測(cè)圖的精度要求。

(2)高程精度：同平面精度的評(píng)價(jià)方式相同,通過量測(cè)模型上的相應(yīng)控制點(diǎn)的高程,在與實(shí)際控制點(diǎn)的高程對(duì)比計(jì)算出相應(yīng)的誤差,最后進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

控制點(diǎn)與模型待定點(diǎn)的坐標(biāo)對(duì)照如表4所示。

表4 高程精度分析表 單位：m

從表4可知,該模型的高程誤差沒有明顯的規(guī)律性,且正負(fù)偏差的個(gè)數(shù)都相差一致。其最大誤差為-0.231 m,最小誤差為-0.011 m。查閱地形圖的高程精度要求可知,高程中誤差為±0.142 m,小于大比例尺測(cè)圖規(guī)定的0.5 m的1/3,即0.17 m,滿足大比例尺的精度要求。

3.2.3房屋角點(diǎn)精度

為研究模型房角點(diǎn)的坐標(biāo)精度是否滿足大比例尺測(cè)圖的規(guī)范要求以及宅基地的精度[13],在模型上量測(cè)并驗(yàn)證了9個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)。通過全站儀實(shí)地測(cè)量相應(yīng)角點(diǎn)坐標(biāo),與模型坐標(biāo)對(duì)比計(jì)算分析其誤差,得到如表5所示的結(jié)果。

表5 建筑物角點(diǎn)誤差 單位：m

從表5可看出，X方向上的中誤差為0.154 m,Y方向上的中誤差為0.130 m,坐標(biāo)中誤差為0.201 m。對(duì)于1∶500比例尺的數(shù)字測(cè)圖來說,其精度只有Y方向上的中誤差小于0.15 m,滿足精度要求,另外兩個(gè)都大于0.15 m,但與相差的不是很大。因此產(chǎn)生此結(jié)果的原因可能是如上文提到的角點(diǎn)模型生產(chǎn)時(shí)角點(diǎn)的偏差較大。

3.2.4結(jié)果分析

從以上的精度結(jié)果中可以看出,三維模型的誤差沒有特定的規(guī)律,但分布范圍相對(duì)均衡。其中，相對(duì)精度中的長(zhǎng)度和高度誤差都小于0.3 m,且分析出幾點(diǎn)產(chǎn)生誤差較高的原因;平面坐標(biāo)中誤差,高程中誤差為±0.142 m，小于大比例尺測(cè)圖規(guī)定得0.5的1/3,即0.17,都滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》的規(guī)定;房屋角點(diǎn)誤差要高于1∶500比例尺的數(shù)字測(cè)圖相關(guān)規(guī)范的精度要求,但相差都不大。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,盡管目前的一些算法有較好的匹配效果,精度也能滿足小比例尺的測(cè)量,但是這還不能滿足高精度產(chǎn)品的要求,并且匹配的速度也比較慢。因此接下來需要研究出更高精度、高效率的影像匹配算法來彌補(bǔ)上述的不足。傾斜攝影測(cè)量是近幾年才發(fā)展起來的新興技術(shù),相應(yīng)的精度評(píng)價(jià)系統(tǒng)還不夠完善,則今后需要找到以更加高效、精確的評(píng)價(jià)因子,研究出一些更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)價(jià)模型。