傾斜攝影測量像控點密度對三維模型精度影響的測試與研究

王剛都，嚴亞敏

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710002）

0 引言

近幾年無人機低空傾斜攝影技術顛覆了傳統(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的的作業(yè)方式，該技術是運用無人機低空多位鏡頭攝影同步獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)與GPS 輔助空中三角測量及計算機視角匹配技術，自動生成三維地理信息模型，快速實現(xiàn)地理信息的獲取，實現(xiàn)全自動化三維建模;傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果。

在植被稀少或裸露地區(qū)，采用傾斜攝影測量建立三維實景模型測繪大比例尺地形圖技術已在許多測繪單位廣泛應用；為了獲取工程坐標系下高精度的三維實景模型，傾斜攝影測量外業(yè)需要布設一定密度的像控地標點，像控點布設密度直接影響三維模型的精度，而目前還沒有國家技術標準明確針對傾斜攝影測量的像控點密度的具體要求，行業(yè)內(nèi)一般認為遵循傳統(tǒng)航攝的相關技術規(guī)范，這就使得無人機傾斜攝影技術的前景可能會受到一定的局限。而優(yōu)化像控點布設的密度也關系到外業(yè)生產(chǎn)工作效率和勞動強度。

本文根據(jù)CW-10C 無人機進行低空傾斜攝影測量的工程實例，探討布設不同密度的像控點對三維建模的精度進行測試分析和探討。

1 縱橫CW-10C 型無人機搭載五拼傾斜相機主要參數(shù)

縱橫CW-10C 型無人機系統(tǒng)由CW-10C 飛行平臺、飛控航電系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、任務設備（五品相機）、差分系統(tǒng)、后期軟件及附屬件等組成。CW-10C 最大起飛重量12 kg，任務荷載1 kg，最佳飛行空速20 m/s，最大飛行空速30 m/s，垂直起降、平飛動力均為電動，最大續(xù)航時間90 min，翼展2.6 m，機身長度1.6 m，實用升限4000 m，抗風能力5 級，搭載五組Sony ILCE-5100 鏡頭拼裝相機進行傾斜攝影測量，其微單傳感器尺寸23.5 mm×15.6 mm，正射鏡頭焦距20.0 mm，像元大小3.90 μm，側向四鏡頭焦距35.0 mm，像元大小3.90 μm，圖像最高辨率6000×4000，單相片分辨率2430 萬像素，總像素1.2 億。

2 工程案例的應用測試

2.1 案例一 榆林東線引黃工程神木供水支線

2.1.1 攝區(qū)概述

測區(qū)屬于黃土高塬溝壑地貌，攝區(qū)長約5.6 km，寬約1.2 km，最低點海拔980 m，最高點海拔1250 m，測區(qū)地形起伏大，最大高差270 m。起飛點海拔為1100 m，飛行相對航高300 m，規(guī)劃航線10 條、航線間距140 m，基線長度50 m，總長度66 km，航向重疊率75%，旁向重疊率65%，最低點分辨率為0.08 m，飛行面積為6.72 km2。

2.1.2 像控布設

攝區(qū)像控密度在航向、旁向均按400 m 間距布設，地面像控點做“十”形狀地標，其航跡及像控點布設見圖1。布設像控地標點40 個，像控地標檢查點11 個，采集地形高程點29 個。

圖1 航跡、像控點示意圖

2.1.3 測試方案

室內(nèi)采用Context Capture（Smart 3D）軟件進行空三及建模時，像控密度選取為：

a）按航向、旁向400 m 的間距選取像控點數(shù)量為53 個，編號為 PG12、PG13、…、PG63、PG64；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的間距選取像控點數(shù)量為20 個，編號為 PG12、PG14、PG19、PG20、PG23、PG24、PG26、PG31、PG33、PG34、PG39、PG40、PG43、PG46、PG52、PG53、PG56、PG58、PG61、PG64 等 20 個；

c）按航向1200 m 間距、旁向800 m 間距選取像控點數(shù)量，編號為 PG12、PG15、PG19、PG22、PG29、PG32、PG34、PG40、PG45、PG50、PG55、PG61、PG64 等 13 個；

d）按航向、旁向1200 m 間距選取像控點數(shù)量，編號為PG12、PG15、PG19、PG29、PG34、PG40、PG47、PG50、PG61、PG64 等 10個；

分別采用按上述四種像控選取密度方案的像控點數(shù)據(jù)、5方向的影像數(shù)據(jù)，進行空三加密及三維建模，獲取4 種三維實景模型。

2.1.4 測試精度評定

采用對比分析法計算統(tǒng)計不同像控點數(shù)量對三維模型精度的影響。分別在四種像控點對應建立的三維模型上量測了像控檢查地標點的平面坐標和高程，與實測值比較計算得坐標和高程較差，計算地標點的平面位置和高程中誤差，測試結果統(tǒng)計見表1。

同時根據(jù)采集29 個地形點在三維模型上的位置量測了地形點的高程，與實測值比較計算得高程較差，并計算地形點的高程中誤差，測試結果統(tǒng)計見表1。

表1 神木支線項目像控檢查點精度測試的統(tǒng)計表

從表1 統(tǒng)計表中看出:

a）航向、旁向像控間距為400 m 的三維模型測試精度最優(yōu)，其它次之；

b）航向、旁向像控間距為800 m～1000 m 三維模型地標檢查點高程、以及高程注記點的測試精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求；

c）航向1200 m、旁向像控間距為800 m 的三維模型地標檢查點高程、以及高程注記點的測試精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求，但有1 個像控檢查點高程較差＞0.5 m；

d）航向、旁向像控間距為1200 m 的三維模型地標檢查點高程、以及高程注記點的測試精度超過規(guī)范規(guī)定的高程注記點≤1/3 h（h 取 1.0 m）精度要求。

e）說明在本地形起伏大測試攝區(qū)，4 種像控點密度下傾斜攝影測量建立的三維實景模型采集的高程精度有較大差異。

2.2 案例二 麟游天堂工業(yè)園區(qū)供水項目

（1）攝區(qū)概述

測區(qū)長約2.4 km，寬約1.6 km，地形為北高南低坡地，最低點海拔900 m，最高點海拔1100 m，測區(qū)高差200 m，起飛點海拔為840 m，飛行相對航高300 m，飛行面積為3.8 km2，規(guī)劃航線總長度為68 km，16 條航線，航線間距120 m，基線長度60 m，航向重疊率75%，旁向重疊率65%，最低點分辨率為0.07 m。

（2）像控布設

測區(qū)像控布設密度航向、旁向均按照400m 間距布設，共布設像控地標點35 個，航跡與像控地標點見圖2。

圖2 航跡、像控地標點圖

（3）測試方案

室內(nèi)采用Context Capture（Smart 3D）軟件進行空三及建模時，像控密度選取為：

a）按航向、旁向400 m 的間距選取像控點數(shù)量，編號為SPG01、SPG02、…、SPG34、SPG35 等 35 個；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的間距選取像控點數(shù)量，編 號 為 SPG02、SPG04、SPG10、SPG12、SPG18、SPG20、SPG24、SPG25、SPG28、SPG29、SPG31、SPG33、SPG34 等 13 個；其余 22個作為檢查點；

c）按航向1200 m 間距、旁向800 m 間距選取像控點數(shù)量，編 號 為 SPG02、SPG04、SPG14、SPG16、SPG26、SPG28、SPG29、SPG32、SPG34 等 9 個；其余 26 個作為檢查點；

d）按航向、旁向1200 m 間距選取像控點數(shù)量，編號為SPG01、SPG04、SPG13、SPG16、SPG25、SPG28 等 6 個；其余 29個作為檢查點。

分別采用按上述四種像控選取密度方案的像控點數(shù)據(jù)，在Context Capture（Smart 3D）軟件下進行空三加密及三維建模，獲取三維實景模型。

（4）測試精度評定

采用對比分析法計算統(tǒng)計不同像控點數(shù)量對三維模型精度的影響。分別在四種像控點對應建立的三維模型上量測了像控檢查點地標的平面坐標和高程，與實測值比較計算得坐標和高程較差，并計算地標點的平面位置和高程中誤差，測試結果統(tǒng)計見表2。

表2 麟游供水項目像控檢查點精度測試的統(tǒng)計表 單位：m

從表2 中看出，該攝區(qū)為地形起伏小的坡地，4 種像控密度下傾斜攝影測量建立的三維實景模型采集的高程精度也有較大差異，即：

a）當航向、旁向像控間距為400 m 的三維模型測試精度最優(yōu)，航向、旁向像控間距為800 m～1000 m 以及航向1200 m、旁向像控間距為800 m 的2 種三維模型測試精度也滿足高程注記點精度≤1/4 h（h 取1.0 m）要求；

b）當航向、旁向像控間距為1200 m 的三維模型測試精度的三維模型測試精度達到高程注記點精度為1/4 h（h 取1.0 m）的限差值；

c）航向、旁向1200 m 間距選取像控點獲取三維實景模型上，SPG29、SPG30、SPG31、SPG32、SPG33、SPG34、SPG35 等 7 像控地標檢查點超出參與空三加密的像控地標點范圍之外，其在三維模型上采集的坐標和高程與GPS-RTK 實測值的較差統(tǒng)計見表3。

表3 三維模型采集與實測值的較差統(tǒng)計表

3 結論

通過2 個不同工程攝區(qū)案例布設不同密度像控點對三維模型精度測試與精度檢測、分析研究認為：

1）像控點的布設密度直接影響三維模型的精度，特別是對三維實景模型高程精度的影響，像控密度越大，模型精度高，像控密度越小，模型精度低，因此，合理的密度視保證模型精度的基礎條件之一。

2）針對CW-10 無人機搭載五個Sony ILCE-5100 鏡頭拼裝相機進行傾斜攝影測量時，建議像控布設密度按航向、旁向在800 m～1000 m 布設，可以滿足1∶1000 地形圖高程等高距為h=1.0 m 的高程精度要求。

3）航攝前地面做像控點“十”或“L”形狀地標，精度較好。

4）攝區(qū)布設的外圍（四周）像控地標點連線之外的三維模型平面和高程的精度難于保證，像控地標點的連線應大于測圖范圍。