無人機傾斜攝影在城市三維建模中的應用研究

王娟娟 耿以凡

摘? 要：為了驗證旋翼無人機傾斜攝影測量的可行性及精度，該文以北京市高新區為例，采用旋翼無人機對其進行了傾斜攝影，利用ContextCapture進行了三維實景建模，并采用外業實測控制點、檢查點及測量數據對模型的平面精度及測量精度進行了驗證，最終對基于旋翼無人機傾斜攝影測量技術進行三維實景建模的可行性、精度及效率做出客觀評價，為后期的行業應用提供了一定的技術參考。

關鍵詞：旋翼無人機? 傾斜攝影? 三維實景建模? 空三加密? 精度驗證

中圖分類號：P231 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0176-02

傾斜攝影測量技術的發展雖然只有幾年時間，但國內已經有很多學者對該項技術進行了研究，并已有自主開發的傾斜攝影測量平臺，如劉先林院士帶領團隊研制的SWDC.5系統、上海航遙公司的AMC580系統、中測新圖公司研制的TOPDC-5系統攝影系統等，它的迅速發展使得目前高昂的三維城市建模成本得以大幅降低，為數字城市建設及地形復雜的地質災害監測等方面的應用提供了全新的解決方案。由于無人機飛行高度低，且攜帶的輕型傳感器所拍攝出的像片分辨率高，顏色真實，能夠大幅提高所構建模型的紋理質量，近幾年國內的一些科研院所及大型無人機生產商先后進行了固定翼無人機傾斜攝影系統的組裝搭載測試并取得建模研究成功。旋翼無人機擁有垂直起降，對起飛著陸地點要求低、機動靈活且能夠超低空飛行等特點，使其在對影像精度要求極高的傾斜攝影測量城市實景三維建模方面有很大的發展空間。因此，該文以實驗區為例，對基于旋翼無人機傾斜攝影測量技術進行城市三維實景建模技術進行實驗研究，并對其可行性、精度及效率進行評估。

1? 旋翼無人機傾斜攝影測量系統

1.1 旋翼無人機系統

旋翼無人機系統由旋翼飛行器及地面操控系統組成，可自主或遙控飛行，對起飛著陸地點要求很低，能夠垂直起降，且高度智能化，能以各種姿態飛行。這些特點使得其在測繪領域有了很大的發展空間。而在傾斜攝影測量方面，為了保證模型的精細程度，往往需要貼近地面及建筑物進行城市超低空飛行，旋翼無人機的機動、靈感、安全性及垂直起降等優勢，無疑是城市傾斜攝影在最佳載體。此次實驗采用的是由北京某公司研制的四旋翼無人機——蜻蜓5S，其輕便小巧，能夠折疊隨身攜帶，主要由飛控、通信系統、定位系統、動力系統和電池組成。

1.2 傾斜傳感器集成

傾斜攝影傳感器由多個鏡頭組成，較為常見的有3鏡頭和5鏡頭，鏡頭通過不同的方向和角度進行組合，使得其在同一曝光點獲取建筑不同角度的影像，一般情況下，中間為下視鏡頭，側視鏡頭以40°向內、向外或旋轉分布于東南西北4個方向，同時傳感器還需集成GPS/IMU慣導系統，在曝光的同時獲取曝光點的位置及姿態信息。此次實驗采用的5S傾斜相機采用了第一排兩個鏡頭，第二排3個鏡頭的分布方式，其第一排中間鏡頭為正射鏡頭，其他為側視鏡頭，側視鏡頭與正射鏡頭偏角為30°，鏡頭統一采用CMOS傳感器，有效像素3600萬。

2? 數據獲取及建模處理

2.1 實驗概況

實驗區位于北京市某高新區，實驗區內地形為平地，面積約為1km2。此次實驗首先用旋翼無人機對實驗區進行傾斜攝影并對其飛行質量進行檢查，然后利用ContextCapture系統進行空三加密、密集匹配、不規則三角網建立及紋理映射等過程，實現三維實景建模，最后利用外業檢查點對其成果精度進行檢驗，具體流程見圖1。

2.2 數據獲取

于2016年3月11日采用蜻蜓5S傾斜攝影系統對實驗區進行了傾斜攝影，航高250m，10條航線，共獲取影像785張，地面分辨率約為0.043m，通過對影像質量檢查分析，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，通過對GSP及IMU的分析，其飛行穩定、航線彎曲度、航高保持良好，像片紋理清晰，層次豐富，色調均勻。

2.3 三維實景建模

（1）數據準備。

此次實驗采用ContextCapture傾斜攝影測量系統進行空三加密及實景建模，該系統可將正射與傾斜影像同時導入，并支持僅輸入GPS數據直接進行多視角匹配的空中三角測量。數據準備主要包括原始影像數據準備、POS數據預處理、相機參數和制作導入索引。影像資料準備需將原始數據按照5個不同的方向進行文件組織，并保證同一曝光點影像數據與POS數據一一對應;相機參數主要含焦距、像素大小、主點坐標及檢校文件等。導入索引文件制作需要將之前準備好的影像文件、POS信息及相機參數等信息按照ContextCapture提供的模板填寫并制作索引文件。控制數據方面，此次實驗區地形為平地，共布設像控點10個，檢查點27個，采用Trimble GeoExplorer 60000 SERIES GPS進行了實地量測。

（2）空中三角測量。

此次實驗空三加密采用了10個控制點及8個檢查點。平差過后控制點平面最大殘差0.039m，高程最大殘差為-0.019m，檢查點平面最大殘差0.034m，高程最大殘差為0.056m，因目前并無明確的傾斜攝影空中三角測量規范，與傳統數字航空攝影測量空三加密精度指標對比，其精度遠高于1∶500空中三角測量要求的基本定向點最大殘差平面不大于0.13m，高程不大于0.11m的規范要求。

（3）三維實景建模。

空三加密完成后，直接基于優化后的空三加密成果，設定三維建模的范圍、瓦片大小以及匹配方式等參數，利用ContextCapture自動進行“影像金字塔構建”“點云匹配”“不規則三角網構建及優化”“三角網簡化”“自動關聯紋理”等過程，完成整個三維模型的自動創建與紋理的自動關聯。

2.4 三維模型精度分析

（1）檢查點精度驗證。

該文將利用外業控制點對三維模型的絕對精度進行分析驗證，但因當前行業內并沒有相應的規范對傾斜攝影測量技術所建的三維模型精度做出明確的規定，因此此次檢測主要按照數學精度檢測方法中高精度檢測的要求，利用外業實測的27個檢查點，與內業直接在三維模型上量測得到的三維坐標進行對比檢驗。

利用中誤差計算公式計算檢查點的坐標偏差可得：

經統計，該次實驗區內20個檢查點的X方向中誤差為0.064m，Y方向中誤差為0.069m，均方根中誤差（RMS，Root Mean Square）即平面位置中誤差為0.095m，Z方向即高程中誤差為0.08m，可看出其平面及高程誤差均小于10cm（兩個像素），且高程精度略高于平面精度。

（2）基于模型的量測精度驗證。

結果表明，直接基于模型進行量測構筑物的誤差要大于地面標志，分析其原因，主要是由于傾斜攝影所建的三維模型主要是由點云構建不規則三角網并關聯紋理形成，而三角網的精細程度又受影像分辨率所影響，無法模擬構筑物的直線輪廓邊緣，達不到現實中的棱角分明，導致內業量測時不能準確捕捉到建筑的拐角，使其存在一定的量測誤差。而高度方面受模型底部精細程度所限，經常無法捕捉到準確的構筑物高度，此次實驗中有兩個標志點無法通過內業獲取其高度信息。

3? 結語

（1）數據獲取方面，通過對實驗區的影像獲取、檢查以及后期的三維實景建模驗證，可看出輕型四旋翼無人機傾斜攝影測量系統操作簡單，機動靈活，對起降場地基本無要求，完全可以應用于傾斜攝影測量三維實景建模工作。傾斜傳感器方面，除了傳統的以正射為中心，側視圍繞四周的模式外，此次實驗的平行排列方式也可滿足傾斜影像獲取需求，后續工作中可嘗試更為靈活的相機組合方式。

（2）精度方面，通過外業檢查點對模型的絕對精度的驗證情況來看，基于輕型四旋翼無人機傾斜攝影測量技術所建的三維實景模型其平面和高程中誤差均可達到兩個像素以內，并且其高程精度略高于平面精度。

參考文獻

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