無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)方式對實(shí)景三維模型成果精度的影響研究

黃維

摘要：無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)是一種快速有效的測繪手段，像控點(diǎn)的布設(shè)方式是影響測區(qū)實(shí)景三維模型精確度的重要影響因素。文章以長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為研究區(qū)域，設(shè)置不同數(shù)量及分布的像控點(diǎn)布設(shè)對比方案，以大疆無人機(jī)航拍獲取的校園影像作為數(shù)據(jù)源，采用對比分析的研究方法設(shè)計(jì)周邊布設(shè)、中心布設(shè)、均勻布設(shè)及無布設(shè)4種像控點(diǎn)布設(shè)方案，試驗(yàn)方案的變量為像控點(diǎn)的分布情況，通過實(shí)景建模軟件Context Capture處理外業(yè)采集的數(shù)據(jù)，比較模型空三加密點(diǎn)精度、檢查點(diǎn)精度、幾何精度，分析無人機(jī)地面像控點(diǎn)的不同布設(shè)方式對實(shí)景三維模型建模精度的影響，探討滿足規(guī)范精度要求的像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方式。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測；像控點(diǎn)布設(shè)；實(shí)景三維模型；精度分析

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0080-04

0 引言

在無人機(jī)技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)快速發(fā)展的背景下，具有測速效率高、實(shí)景表現(xiàn)效果直接等優(yōu)勢的無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于國土測繪、選線設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測、應(yīng)急救災(zāi)等眾多領(lǐng)域［1］。無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用中，像控點(diǎn)的布設(shè)方式和數(shù)據(jù)處理是影響無人機(jī)航空攝影效率及成果精度的關(guān)鍵因素［2］，會(huì)從模型成果數(shù)據(jù)的信度、準(zhǔn)度和可用性3個(gè)方面對測繪過程的作業(yè)效率、生產(chǎn)成本、勞動(dòng)強(qiáng)度等產(chǎn)生直接影響。

本文以長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為研究區(qū)域，航測數(shù)據(jù)來源為大疆無人機(jī)拍攝的校園影像。采用對比分析的研究方法設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案的變量為像控點(diǎn)的分布情況，基于實(shí)景建模軟件Context Capture配合傾斜攝影測量方法完成實(shí)景三維建模工作，并通過軟件處理外業(yè)采集的數(shù)據(jù)，比較模型空三加密點(diǎn)精度、檢查點(diǎn)精度和幾何精度，分析無人機(jī)地面像控點(diǎn)的不同布設(shè)方式對實(shí)景三維模型建模精度的影響機(jī)制，探討滿足規(guī)范精度要求的像控點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)方式，驗(yàn)證可視化三維實(shí)景模型的可行性及精度的可靠性，為智慧城市、智慧校園建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)保障。

1 外業(yè)航攝數(shù)據(jù)采集

1.1 測區(qū)概況

測區(qū)位于湖南省長沙市湘江新區(qū)，地理坐標(biāo)大致為北緯28°12′53.3″，東經(jīng)122°50′24.3″，面積約0.3 km2，南北方向約0.45 km，東西走向約0.65 km，高程為52 m左右。地區(qū)屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，冬寒夏熱，四季分明，春秋短促，冬夏綿長。校區(qū)基本地形為西高東低，地勢開闊，無高大建筑，適合無人機(jī)航測數(shù)據(jù)的采集。

1.2 航拍參數(shù)

航拍設(shè)備采用“大疆”精靈4 PRO航拍無人機(jī)搭配高清相機(jī)，無人機(jī)三擋飛行模式可以應(yīng)對不同場景的航拍，運(yùn)動(dòng)模式下的飛行速度達(dá)到72 km/h，滿足高速航拍的要求。機(jī)身前、后方及底部均配置視覺傳感器，機(jī)身左右兩側(cè)配置紅外傳感器，五向環(huán)境感知功能可大幅提升飛行安全性，OcuSync 2.0 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10 km圖像傳輸。搭配的廣角鏡頭由7組8片全玻璃鏡片組成，具備出色的解析力，可以呈現(xiàn)細(xì)節(jié)豐富的成像效果，具有2 000萬像素的CMOS（金屬氧化物）影像傳感器和12 800的感光器，在暗光拍攝下可展現(xiàn)更多細(xì)節(jié)；搭載的高性能影像處理器支持H.265編碼格式，可以拍攝分辨率為4 000、幀數(shù)為60的視頻。航測飛行一共6次，完成高重疊度航拍，同一航線上相鄰相片的縱向重疊率設(shè)置為80%，橫向重疊率設(shè)置為65%，相對飛行高度為60 m，地面分辨率為1 cm，飛行時(shí)間為120 min，獲取照片2 474張。

2 像控點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化方案及實(shí)踐

2.1 布設(shè)要求

像控點(diǎn)的布設(shè)方式與數(shù)量直接決定后續(xù)成果的精度，并影響成果真實(shí)的地理坐標(biāo)［3］。在選取和布置像控點(diǎn)時(shí)，要遵守一些基本的規(guī)則，考慮地形情況、拍攝數(shù)據(jù)及信息處理方式等影響因素，像控點(diǎn)的布置要求具體如下。

（1）像控點(diǎn)通常選擇比較鋒利的特征點(diǎn)，例如斑馬線角點(diǎn)、道路引導(dǎo)箭頭頂點(diǎn)，盡可能選在固定、平坦、清晰、易于辨識的地方，避開樹木和房屋角落等易受阻礙的地方。

（2）手動(dòng)標(biāo)記像控點(diǎn)的大小要超過70 cm，可以用紅漆進(jìn)行噴涂標(biāo)記，圖案要有一定的邊角，方便內(nèi)業(yè)技術(shù)人員清楚地看到定位部位。

（3）附上2～4張實(shí)況照片表示像控點(diǎn)所處的定位，其中要求有一幅近距離定位圖和一幅周圍環(huán)境定位圖。盡可能設(shè)置一個(gè)地面標(biāo)記或選取一個(gè)容易識別的顯著靶點(diǎn)，提升圖像控制的準(zhǔn)確性和可靠性。

（4）像控點(diǎn)布置完后，做好草圖筆記，以便內(nèi)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)工作。

2.2 像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)

本文測區(qū)整體形態(tài)為較規(guī)則的長方形，依據(jù)像控點(diǎn)布設(shè)要求，綜合考慮測區(qū)的面積、地形地貌、建筑密度等因素，設(shè)計(jì)布設(shè)方式。進(jìn)行野外布點(diǎn)，通過實(shí)地勘測，選擇清晰可辨的地物特征點(diǎn)作為控制點(diǎn)，控制點(diǎn)均為平高控制點(diǎn)，數(shù)量總共36個(gè)，其中像控點(diǎn)為20個(gè)，檢查點(diǎn)為16個(gè)，用符號Pt表示。通過網(wǎng)絡(luò)RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）技術(shù)測量控制點(diǎn)坐標(biāo)，為保證CORS （跨域資源共享）系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用“合眾思壯” RTK UFO U5連接CORS 系統(tǒng)，對校園外的3個(gè)E級GPS控制點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位測試和復(fù)核，然后精確測量36個(gè)控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，將實(shí)測數(shù)據(jù)作為真值用于數(shù)據(jù)對比。

在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，設(shè)計(jì)4種像控點(diǎn)布設(shè)方案（布設(shè)參數(shù)見表1，像控點(diǎn)分布情況如圖1所示），分別進(jìn)行刺點(diǎn)和空三加密平差處理。方案1 采用周邊布控的方式布設(shè)10個(gè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)均在測區(qū)邊界線相近的位置，相鄰的點(diǎn)依次串聯(lián)構(gòu)成的面盡可能覆蓋整個(gè)測區(qū)。方案2相較方案1，像控點(diǎn)數(shù)量相同，但位置分布在測區(qū)中部區(qū)域，采用的是中心布控的方式。方案3布設(shè)的10個(gè)像控點(diǎn)位置則結(jié)合了周邊布控和中心布控2種方式，在邊緣布設(shè)的同時(shí)，還在測區(qū)中部增設(shè)少量的點(diǎn)，像控點(diǎn)均勻布控在整個(gè)測區(qū)中。方案4未布設(shè)像控點(diǎn)，以無像控點(diǎn)方案作為初始的對照數(shù)據(jù)，與不同像控點(diǎn)布設(shè)方式下空三加密的結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)位精度對比分析，并與不同像控點(diǎn)布設(shè)方式下三維模型中的幾何長度進(jìn)行長度檢查分析。

2.3 空中三角測量

空中三角測量是無人機(jī)傾斜攝影后期數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，其結(jié)構(gòu)精度直接作用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理成果［4］。本文空三處理采用實(shí)景建模軟件Context Capture，將航測拍攝的相片分組添加到軟件，設(shè)置選項(xiàng)為圖像坐標(biāo)選擇“WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系”、地理定位精度選擇“標(biāo)準(zhǔn)”、選擇“POS文件”、選擇“軟件自動(dòng)識別相機(jī)型號”；選擇輸出的坐標(biāo)系與控制點(diǎn)坐標(biāo)系應(yīng)一致。根據(jù)4種不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案分別導(dǎo)入相應(yīng)的像控點(diǎn)成果數(shù)據(jù)，手動(dòng)操作在圖片中找到像控點(diǎn)的準(zhǔn)確位置并進(jìn)行標(biāo)記；依次完成刺點(diǎn)工作，再次進(jìn)行空三加密獲得準(zhǔn)確的影像外方位數(shù)據(jù)；空三完成后點(diǎn)擊空間框架，在提交生產(chǎn)項(xiàng)目目標(biāo)選項(xiàng)中選擇“參考三維模型”，提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目并選擇“正射影像”。結(jié)合影像POS（Position Orientation System）數(shù)據(jù)對長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院校區(qū)建筑群進(jìn)行空中三角測量和三維重建，以方案3為示范，由實(shí)景建模軟件Context Capture生成空中三角測量結(jié)果（如圖2所示），三維模型瓦片合并（如圖3所示），三維重建的整體實(shí)景三維模型（如圖4所示）。

3 模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)精確測量16個(gè)野外檢查點(diǎn)的3個(gè)方向的坐標(biāo)真值（x、y、z，單位為mm），與4種布設(shè)方案的檢查點(diǎn)空三解算坐標(biāo)值（x'、y'、z'，mm）進(jìn)行對比，分別計(jì)算坐標(biāo)真中誤差Δx、Δy、Δz，利用公式（1）計(jì)算4種方案設(shè)計(jì)的檢查點(diǎn)的平均平面坐標(biāo)中誤差和高程中誤差，得到各方案檢查點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表2），在此基礎(chǔ)上依據(jù)點(diǎn)位精度數(shù)據(jù)，分析不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對空中三角測量精度的影響。

依據(jù)我國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，1∶500成圖比例模型的要求是平面精度為0.3 m，高程精度為0.5 m，本文設(shè)計(jì)的4種像控點(diǎn)布設(shè)方案獲取的航測數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，均滿足規(guī)范中對于I級產(chǎn)品的精度要求。

表2中的數(shù)據(jù)顯示像控點(diǎn)布設(shè)方式對實(shí)景三維模型的精度有明顯的差異性影響。方案1采用的是測區(qū)周邊布設(shè)像控點(diǎn)的方式，平面中誤差為0.060 2 m，高程中誤差為0.055 8 m，因?yàn)檠芯繀^(qū)域整體形態(tài)為長方形且地勢平坦、地形變化較小，所以模型精度較高。方案2構(gòu)建的實(shí)景模型精度較低，平面中誤差和高程中誤差分別為0.085 0 m和0.065 4 m，由于測區(qū)面積較小，中心布置的像控點(diǎn)能基本覆蓋研究區(qū)域，因此構(gòu)建的模型精度也能夠滿足基本要求。方案3將像控點(diǎn)均勻布置在測區(qū)內(nèi)，較好地模擬了場地的地形地勢特征，構(gòu)建的實(shí)景三維模型平面中誤差為0.028 8 m，高程中誤差為0.023 7 m，相比其他3種方案模型精度最高。方案4沒有布置像控點(diǎn)，平面精度和高程精度最低。4組像控點(diǎn)布置方案的模型精度由高到低依次為方案3、方案1、方案2、方案4。

3.2 幾何精度分析

在點(diǎn)位精度檢核的基礎(chǔ)上，分析研究區(qū)域?qū)嵕叭S模型的幾何精度。以研究不同像控點(diǎn)布設(shè)方案對模型幾何精度的影響為目標(biāo)，以線段的形式，實(shí)地量測測區(qū)內(nèi)的建筑或道路的長度，評定測區(qū)實(shí)景三維模型的幾何精度。

為綜合評定實(shí)景三維模型的幾何精度，按長度差異選擇了6段不同方向的建筑連線，前3段（L1-L3）為長線段，對應(yīng)的實(shí)地量測長度分別為110.025 m、120.101 m、80.025 m；后3段（L4-L6）為短線段，實(shí)地量測長度分別為30.011 m、18.015 m、6.005 m。將測區(qū)內(nèi)的實(shí)地量測結(jié)果與實(shí)景三維模型上的長度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到模型的幾何精度情況見表3。

數(shù)據(jù)顯示，4種像控點(diǎn)布設(shè)方案構(gòu)建模型的幾何精度都滿足規(guī)范要求，相對精度數(shù)值基本達(dá)到99.6％以上，并且短線段幾何長度的精度明顯低于長線段，幾何精度最高的實(shí)景模型是方案3。因此，為使實(shí)景三維模型更貼近測區(qū)內(nèi)建筑真值，布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，在滿足測區(qū)邊緣形態(tài)的要求的基礎(chǔ)上，可在中心區(qū)域均勻地增加像控點(diǎn)，能在一定程度上相對提高模型的幾何精度，并且像控點(diǎn)布設(shè)方式對模型幾何精度的影響在較短的建筑連線中更顯著。

4 結(jié)語

本文以長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為研究區(qū)域，分別采用周邊布設(shè)、中心布設(shè)、均勻布設(shè)及無布設(shè)4種方式設(shè)計(jì)像控點(diǎn)布設(shè)方案，依據(jù)無人機(jī)航測影像數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)景三維模型，對比分析模型的檢查點(diǎn)平面及高差精度、建筑連線幾何精度。分析結(jié)果顯示，像控點(diǎn)布設(shè)方式對模型幾何精度的影響在較短的建筑連線中更顯著；相較單純的周邊布設(shè)和中心布設(shè)2種像控點(diǎn)布設(shè)方案，將2種布設(shè)方式結(jié)合的方案最合理，即在邊緣布設(shè)的同時(shí)，在測區(qū)中部均勻布置少量像控點(diǎn)，可有效提高模型精度。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，運(yùn)用無人機(jī)航測構(gòu)建實(shí)景三維模型的工作量普遍較大，應(yīng)根據(jù)測區(qū)形態(tài)特征、地形地勢、建筑分布等實(shí)際情況，充分考慮像控點(diǎn)布設(shè)方式對檢查點(diǎn)精度和幾何精度的影響，在滿足規(guī)范和應(yīng)用要求的情況下，優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方案，按需布置像控點(diǎn)，最終達(dá)到降低建模成本，提高工作效率的目的。

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