傾斜攝影測量像控點布設(shè)對三維模型精度影響分析

周忠贛 伍慧群

（江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，江西 南昌 330038）

0.引言

在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的背景下，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)獲得了迅猛發(fā)展。相較于傳統(tǒng)攝影測量工具，無人機(jī)攝影測量結(jié)合了飛行器技術(shù)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，提升了無人機(jī)攝影測量的能力，推動了無人機(jī)攝影測量的發(fā)展。無人機(jī)擁有攝影測量快速采集測區(qū)信息、作業(yè)靈活、安全性高等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的地形測量和攝影測量相比，能節(jié)省生產(chǎn)成本，加快完成數(shù)據(jù)采集和分析進(jìn)度。

目前，關(guān)于無人機(jī)傾斜攝影測量的精度研究尚且不足，影響其在測繪生產(chǎn)中的應(yīng)用。為此本文以某地區(qū)圖書館三維模型為例,使用大疆精靈4無人機(jī)和大疆智圖影像處理軟件生產(chǎn)其三維模型，并通過RTK獲取實地數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度檢測，利用某地區(qū)圖書館不同高程像控點的布設(shè)方法判斷像控點高程對無人機(jī)傾斜攝影測量建模精度的影響，其試驗結(jié)論可為測繪生產(chǎn)提供參考。

1.無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)

無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)是一種能搭載在無人機(jī)上進(jìn)行工作的系統(tǒng)，其體積小、質(zhì)量輕且反應(yīng)速度較快、飛行靈活，能在各種飛行條件下升空進(jìn)行測量，同時可搭配高精度影像捕捉系統(tǒng)，實現(xiàn)高精度的地理測量需求，有效彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和航空遙感在精度方面的不足，在小范圍區(qū)域內(nèi)獲取全部地理信息的能力明顯提升[1]。隨著科技的不斷進(jìn)步，由我國研發(fā)的無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)已經(jīng)形成了一套完善的測量機(jī)制，無人機(jī)同攝影測量系統(tǒng)的配合度也得到有效地提升，基本上滿足了當(dāng)前的測量需求。

像控點布設(shè)的數(shù)量與位置，對后期三維模型的構(gòu)建以及地形圖的繪制精度有著重要影響，通常像控點布設(shè)需遵循多個原則，首先要易于識別、位置要足夠空曠無明顯遮擋；其次應(yīng)布設(shè)在便于測量位置，遠(yuǎn)離水域、密集建筑群、存在強(qiáng)磁干擾區(qū)域；最后，像控點需均勻分布在測區(qū)范圍內(nèi)，避免布設(shè)在測區(qū)邊界，保證能控制整個測區(qū)，綜合成本，合理加密控制。

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)無人機(jī)飛行和航拍功能；軟件系統(tǒng)部分由無人機(jī)的飛行、參數(shù)設(shè)置、航線規(guī)劃等系統(tǒng)組成。

1.1 硬件系統(tǒng)

（1）無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)。無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)主要由無人機(jī)主體、攝影系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)組成。在飛機(jī)作業(yè)過程中，其能根據(jù)地面控制系統(tǒng)的指令或預(yù)先設(shè)置的飛行規(guī)劃進(jìn)行作業(yè)，通過通信系統(tǒng)將飛行狀況信息（如，飛行速度、飛行高度）傳輸至地面控制系統(tǒng)[2]。

（2）地面控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)是實現(xiàn)對無人機(jī)基本飛行控制的系統(tǒng)，對飛行平臺的運行有著重要影響，主要由通信系統(tǒng)和一系列的計算和控制硬件組成，能在無人機(jī)飛行過程中及時接收無人機(jī)反饋的基本參數(shù)信息，并通過電子地圖標(biāo)定無人機(jī)的飛行高度、速度、軌跡等狀態(tài)信息，同時還可對無人機(jī)發(fā)出飛行指令，從而充分控制無人機(jī)飛行。

（3）航拍系統(tǒng)。航拍系統(tǒng)是實現(xiàn)無人機(jī)測量的基礎(chǔ)系統(tǒng)，通常情況下可根據(jù)測量需求，搭載不同參數(shù)的航攝硬件（如數(shù)碼相機(jī)、遙感成像儀等），以實現(xiàn)不同精度和類型的測量需求。

1.2 軟件系統(tǒng)

（1）航線規(guī)劃系統(tǒng)。航線規(guī)劃系統(tǒng)是無人機(jī)航拍系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的軟件系統(tǒng)，對無人機(jī)的飛行方向和拍攝的精確度有著重要影響。通常情況下，在無人機(jī)進(jìn)行航拍之前，應(yīng)根據(jù)飛行范圍和地形地貌等因素，結(jié)合航攝度要求，通過航攝規(guī)劃系統(tǒng)對無人機(jī)的基本走向、分辨率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使得無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航線完成對既定地理信息的測量[3]。

（2）影像的預(yù)處理系統(tǒng)。航空攝影測量系統(tǒng)所捕捉到的影像通常存在一定的畸變差或?qū)Ρ榷炔幻黠@情況，而影像預(yù)處理系統(tǒng)是對無人機(jī)航拍系統(tǒng)所捕捉到的影像文件進(jìn)行初步處理，包括對影像進(jìn)行增強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)、改正，使攝影信息更準(zhǔn)確，同時根據(jù)數(shù)據(jù)存儲和使用需要，將航攝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式，以便于后期打開查看。

2.實例驗證

2.1 現(xiàn)場踏勘

航測作業(yè)前需要對測區(qū)狀況進(jìn)行考察，圖書館視野開闊，地勢較為平坦，有利于確定該測區(qū)的像控點位置。檢查測區(qū)CORS信號覆蓋情況，確定信號強(qiáng)度和可靠性，是否有利于無人機(jī)的飛行試驗。為避免因天氣因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，應(yīng)選擇風(fēng)力較小、天氣狀況良好時間進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

2.2 航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置

地面采樣距離（Ground Sampling Distance,GSD）選擇為2 cm，飛行高度設(shè)定為73 m，以航向重疊80%相機(jī)拍攝間隔2s計算，最大飛行速度為5m/s。外業(yè)拍攝過程中飛機(jī)在快速移動,會產(chǎn)生運動模糊現(xiàn)象,使拍攝物體模糊變形，所以保證曝光的前提下,可采用快門優(yōu)先模式?？紤]外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，無人機(jī)飛行速度較快，當(dāng)快門反應(yīng)速度過慢時會產(chǎn)生運動模糊現(xiàn)象，通常運動模糊值等于快門時間乘以飛行速度，為提高影像精度,一般情況下運動模糊要小于0.5倍的GSD。

由于圖書館高度有限，且固定翼無人機(jī)無法完成作業(yè)，可選用大疆精靈4飛行器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。大疆精靈4飛行器在兼顧經(jīng)濟(jì)效益的同時，能滿足低空、高精度影像采集，達(dá)到本航攝任務(wù)試驗要求。

以三維重建對象的地形及類型為依據(jù)，進(jìn)行航線規(guī)劃。選用五向飛行這種三維建模航線規(guī)劃方式。五向飛行為5組飛行航線，包括1組正射航線（即云臺俯仰角度-90°，朝向正下方）和4組不同朝向的傾斜航線（即云臺俯仰角度大于90°，-45°～-90°），以獲取下視、前視、后視、左視和右視五個視角照片。在飛行時，考慮到該圖書館附近有茂密的植被區(qū)域及平坦的操場地形,需增加重疊率,以便更易檢測重疊圖像之間的相似性。

2.3 無人機(jī)航拍及注意事項

無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)極易受GNSS信號、通訊距離等因素的干擾。在無人機(jī)起飛位置的選取上需考慮多項要素。應(yīng)選擇視野開闊、網(wǎng)絡(luò)信號暢通的位置，盡量避免選擇在高層建筑物中間、周圍存在樹木遮擋的位置，此類位置會使無人機(jī)無法獲取GNSS信號，無法精準(zhǔn)懸停，造成無人機(jī)漂移，影響返航位置精度，增加自動返航難度[4]。無人機(jī)內(nèi)置的傳感器需要依靠磁場進(jìn)行方向判別，起飛位置需避免選擇在鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面。在測區(qū)高處起飛時,如果起飛點與測區(qū)地面存在較大高差時,可在大疆智圖“高級設(shè)置”中的“相對高度”設(shè)置其真實高度,保證“任務(wù)高度”是相對于測區(qū)的高度，非真實高度會影響重疊率。為避免Wi-Fi、信號塔、電站等設(shè)備多重干擾無人機(jī)通信鏈路,從而造成飛機(jī)失控及RTK失鎖等情況發(fā)生，無人機(jī)的飛行路線要遠(yuǎn)離信號塔、變電站等。

2.4 地面控制點數(shù)據(jù)獲取

地面控制點的獲取是提高無人機(jī)測量建模精度的重要數(shù)據(jù)，無論是航空影像還是衛(wèi)星遙感影像，皆屬于遠(yuǎn)距離的影像獲取，受地形起伏、地球曲率或搭載的傳感器本身的影響，獲取的影像數(shù)據(jù)幾何位置可能會出現(xiàn)偏差。而地面控制點是經(jīng)過實地測量或通過其他渠道獲取的已知準(zhǔn)確的地面點信息，通過在影像上標(biāo)定控制點信息來糾正影像出現(xiàn)的幾何誤差以及地理位置信息，因此地面控制點測量是無人機(jī)像片三維模型產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要步驟。像控點的精確三維坐標(biāo)通常通過全站儀或RTK測量獲得，對于圖書館控制點的測量使用RTK測量技術(shù)。

本次試驗使用司南導(dǎo)航的T3000 RTK測繪產(chǎn)品，首先在空曠地帶架設(shè)RTK基準(zhǔn)站，檢查電源電量是否充足，檢查手簿狀態(tài)是否良好，連接天線，設(shè)置移動站，天線高選擇1.5 m，校正控制點選擇測距點中3個相距大于100 m的控制點校準(zhǔn)。

為對比分析高程分層像控點布設(shè)方法與常規(guī)布設(shè)方法、無像控三維模型精度質(zhì)量，本文首先在圖書館地面均勻布設(shè)10個像控點，以地面為0m層，分別在5 m、10 m層分別布設(shè)像控點5個。使用司南RTK采集均勻布設(shè)在圖書館周圍的20個像控點的平面坐標(biāo)及高程值，用于對比像控點高程對建模精度的影響[5]如表1所示。

表1 RTK測量坐標(biāo) 單位：m

3.精度驗證

為評估本次試驗的三維模型精度，選取之前在圖書館均勻布設(shè)的20個像控點作為精度驗證的點坐標(biāo)，使用司南RTK測量的坐標(biāo)值作為真實值進(jìn)行參考，分別取3個模型中與20個相同位置的點坐標(biāo)進(jìn)行對比，計算平面中誤差和高程中誤差檢驗其模型精度，誤差統(tǒng)計如表2—表4所示。誤差檢驗公式如式（1）所示：

表2 無像控點誤差統(tǒng)計表 單位：m

表4 高程分層像控點誤差統(tǒng)計表 單位：m

式（1）中，ms為平面中誤差；mK為高程中誤差；ΔSi為平面殘差；ΔHi為高程殘差；n為評定精度時所計算的坐標(biāo)點的個數(shù)。

表3 地面像控點誤差統(tǒng)計表 單位：m

由以上誤差分析表可以看出，大疆精靈4無人機(jī)三維影像建模處理結(jié)果如下：

（1）當(dāng)三維模型沒有像控點時，在模型上選取與RTK實測位置相同的20個點坐標(biāo),其平面中誤差約5 cm，其高程中誤差17.6 cm。

（2）當(dāng)圖書館模型對樓下地面像控點刺點時，其平面中誤差為3.2 cm，高程中誤差為4 cm。對比無像控點模型時的精度，平面中誤差提高了1.8 cm，高程中誤差提高了13.6cm，三維模型精度得到明顯提升，高程精度提高較明顯。

（3）利用圖書館模型進(jìn)行高程分層像控點時，平面中誤差為2.6 cm，高程中誤差為2.8 cm。對比地面像控點，平面中誤差提高0.6 cm，高程中誤差提高1.2 cm。

4.結(jié)束語

本次試驗利用大疆精靈4無人機(jī)對某圖書館進(jìn)行傾斜攝影測量構(gòu)建三維模型，分別構(gòu)建無像控點模型、樓下地面像控點刺點模型、樓上樓下像控點刺點模型，利用RTK儀器實測20個點坐標(biāo)與構(gòu)建的3個模型上的點坐標(biāo)進(jìn)行對比精度分析，得出以下結(jié)論：

（1）據(jù)GB/T 23236—2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》要求，在1∶1 000比例尺檢查點對實測點平面中誤差和高程中誤差分別為35 cm和28 cm，在1∶500比例尺中檢查點對實測點平面中誤差和高程中誤差分別為17.5 cm和15 m。

（2）本次試驗所有模型精度均滿足1:1 000比例尺要求，刺像控點后模型精度能滿足1∶500比例尺要求，在布設(shè)了像控點的三維模型中，高程分層像控點模型精度與地面像控點模型精度相比，在毫米級精度上，其平面中誤差精度提高了19%，其高程中誤差精度提高了30%，因此不同高程的像控點對無人機(jī)傾斜攝影測量建模精度有所提升，當(dāng)需要高精度無人機(jī)傾斜攝影測量時可考慮像控點高程的影響。