無人機(jī)傾斜攝影三維模型精度分析

杜 猛 劉 威 朱 釗

(陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，陜西 西安 710021)

隨著我國低空攝影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，在我國智慧城市建設(shè)、信息化管理中已廣泛應(yīng)用。該技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)攝影測(cè)量影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，以“全要素、全紋理”的方式來獲取真實(shí)三維模型。

本文基于六旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)(焦距20 mm/35 mm，像幅大小23.5 mm×15.6 mm,圖像分辨率4 000×6 000，總像素1.2億)，以具體的測(cè)區(qū)為例，研究無人機(jī)在不同相對(duì)航高、不同重疊率情況下分別采集影像數(shù)據(jù)，利用相同控制點(diǎn)影像校準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三建模，對(duì)比分析各三維實(shí)景模型精度情況。

1 測(cè)區(qū)介紹

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)位于西安市長安區(qū)耶柿坡村，測(cè)區(qū)是長約1 km，寬約0.5 km的小山村居民區(qū)(見圖1)，面積約0.51 km2。測(cè)區(qū)地勢(shì)北高南低，屬山地地形，平均海拔536 m，最大高差49 m，區(qū)內(nèi)無高大建筑物，通視情況良好，適合飛行。

2 無人機(jī)傾斜攝影

現(xiàn)場(chǎng)踏勘后，在測(cè)區(qū)中部選擇視野好、航程短的開闊地帶作為無人機(jī)起降場(chǎng)地，鑒于測(cè)區(qū)北高南低的地形特點(diǎn)，整個(gè)測(cè)區(qū)航線按東西向布設(shè)(見圖1)。航線規(guī)劃使用大疆DJ1 4.0地面站軟件，確定好相機(jī)焦距和傳感器尺寸，根據(jù)輸入的相對(duì)航高、航(旁)向重疊率等信息，選擇飛行區(qū)域，創(chuàng)建飛行計(jì)劃。為了研究不同相對(duì)航高、不同重疊率對(duì)模型精度的影響，我們分三次對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行飛行作業(yè)。各次飛行參數(shù)變化情況見表1。

3 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)盡量選擇自然地物點(diǎn)。目標(biāo)影像應(yīng)清晰，容易判刺和立體量測(cè)，同時(shí)應(yīng)是高程起伏較小、固定且易于準(zhǔn)確定位和量測(cè)的地方，弧形地物及陰影處等不宜選作點(diǎn)位目標(biāo)。像控點(diǎn)的施測(cè)采用基于基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的RTK定位方法，平面坐標(biāo)采用1980西安坐標(biāo)系，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。按照GB/T 7931—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》規(guī)范要求，外業(yè)測(cè)量人員在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)施測(cè)像控點(diǎn)27個(gè)，全部為平高點(diǎn)。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途龋x取其中18個(gè)控制點(diǎn)參與影像校正，其余9個(gè)控制點(diǎn)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行模型精度檢測(cè)。

表1 各次飛行參數(shù)

4 內(nèi)業(yè)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集回來后，首先對(duì)影像質(zhì)量、pos數(shù)量和影像一致性、像控點(diǎn)質(zhì)量等進(jìn)行預(yù)處理，檢查無誤后，編制pos表格，按要求導(dǎo)入Context Capture 4.4軟件，在Context Capture中依次進(jìn)行空三加密、重建TIN、創(chuàng)建白模、紋理映射和三維重建等流程，最終生產(chǎn)出可清晰辨別地物位置和類別信息的三維實(shí)景模型成果，模型成果格式為S3C或者3MX，如圖2所示。

5 精度分析

三維實(shí)景模型生產(chǎn)完畢后，將上述未參與模型校正的9個(gè)控制點(diǎn)作為模型檢核點(diǎn)，在Acute3D Viewer軟件中分別拾取這些點(diǎn)位X,Y,Z坐標(biāo)，與控制點(diǎn)成果對(duì)比，進(jìn)行模型絕對(duì)精度檢核，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

通過精度統(tǒng)計(jì)分析可以得出以下結(jié)論：

1)相對(duì)航高對(duì)模型精度影響較大，相對(duì)航高越大，影像分辨率就越低，模型精度也越差。在保證無人機(jī)安全作業(yè)的情況下，相對(duì)航高越小，模型效果就越好，模型精度也越高，當(dāng)然經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本也大大增加。

2)重疊率對(duì)模型精度影響較大，航向重疊率越小，影像拍攝間距就越大；旁向重疊率越小，影像航線間距就越大。降低重疊率，采集的影像越稀疏，生成的模型扭曲變形就越嚴(yán)重，模型精度也就越差。

表2 三維實(shí)景模型點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì) m

3)像控點(diǎn)分布對(duì)模型精度影響最大，像控點(diǎn)越稀疏(YJ01,YJ05周圍像控點(diǎn)較少)，模型精度就越差，但像控點(diǎn)密度過大(YJ08周圍像控點(diǎn)非常多)，對(duì)模型精度的提高有限。整個(gè)測(cè)區(qū)宜采用格網(wǎng)法布點(diǎn)，且測(cè)區(qū)各邊角附近需要有足夠的像控點(diǎn)分布。

4)從表2可知，各傾斜攝影三維實(shí)景模型的平面中誤差、高程中誤差均優(yōu)于GB/T 7930—2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》1∶500比例尺平地、丘陵地平面位置中誤差不大于0.2 m，平地高程中誤差在0.2 m以內(nèi)，丘陵地0.4 m以內(nèi)的要求，完全可以進(jìn)行大比例尺DLG的采集生產(chǎn)。

6 結(jié)語

本文利用無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)拍攝傾斜影像生成三維實(shí)景模型，通過相對(duì)航高、重疊率等影響因子對(duì)比分析三維模型點(diǎn)位精度，實(shí)驗(yàn)證明低空無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)完全可用于1∶500比例尺DLG的生產(chǎn)。

目前，傾斜攝影技術(shù)雖處于起步階段，但其真實(shí)性、高效性、高性價(jià)比已經(jīng)是其他航攝遙感技術(shù)、傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法比擬的。隨著技術(shù)的革新，傾斜攝影必將替代傳統(tǒng)測(cè)量手段，在土地調(diào)查、城市規(guī)劃、應(yīng)急測(cè)繪等多方面得到廣泛應(yīng)用。