無人機像控點布設方式對實景三維模型成果精度的影響

金新平 戴競輝 黃 瑤 張高鵬

（華東勘測設計院（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

隨著現代化測繪技術的迅速發展，無人機在各個領域的應用愈加廣泛。由于無人機體積較小，空中姿態變換較為靈活，同時受空域管制影響相對較小，獲取測區影像數據較快，所以，采用無人機獲取測區范圍內的航空影像數據[1]，進而進行基礎測繪工作，尤其是地形條件相對復雜的區域，采用無人機低空攝影測量技術，能夠實現區域快速成圖、基礎測繪數據快速獲取工作?；跓o人機攝影測量技術的測速快、實景表現性強等特點，其在城市規劃、數字城市建設、新農村測繪等方面具有較為重要的應用研究價值[2]。

采用無人機進行低空攝影測量時，無人機上所搭載的相機普遍為非量測相機，所以要建立相機所攝像片與目標物之間的數學關系，從而進行空三解算，而地面像控點的布設方案則直接影響目標物三維坐標的解算精度[3]。地面像控點的布設數量和位置，在一定程度上會影響實景三維模型的精度，同時像控點布設的合理與否，直接決定了外業測繪工作量的大小及建模成本[4]。在測區范圍內，如何合理布設像控點，以最少地面像控點獲取最高精度的測區實景三維模型，是一個重要的研究課題。

本文設計周邊布設、中心布設、均勻布設以及加密布設四種像控點布設方案，分別構建研究區域實景三維模型，對四種模型進行精度分析對比，進而研究地面像控點的不同布設方式對實景三維模型建模精度的影響。

1.像控點布設原則

采用無人機低空攝影測量技術獲取基礎測繪信息時，選擇科學合理的像控點布設方式，能夠大大提升后續測量成果的精度，降低工作量，提高工作效率。在進行地面像控點布設時，需遵循一定的原則[5]，同時結合測區實際地形地貌，根據實際需求選取最優的布設方式。地面像控點的一般布設原則有：

（1）測區范圍內地面像控點應均勻、立體布設；

（2）同一位置的地面像控點應聯測成平高點；

（3）地面像控點實際布設位置的連線應盡量避免為近似直線；

（4）在實際布設地面像控點過程中，應在點位處布設地面標志，或選擇較為醒目的目標點處布設像控點，從而提高刺點精度，在一定程度上增強像控點的可靠性；

（5）地面像控點布設完成后應對點位進行拍照，從而獲取像控點位置信息，便于在后續工作中提高刺點效率。

以上述地面像控點的布設原則為基礎，兼顧測區范圍內的實際地形地貌，本文以某城市范圍內的不規則小面積區域為研究對象，設計不同的像控點布設方案，研究像控點布設方式對不規則區域內構建實景三維模型精度的影響。

2.實例探究

2.1 像控點布設方案設計

本文研究區域為某山地丘陵地區某一不規則區域，區域面積為0.35km2。該研究區域特征較為明顯，整體形態為非規則多邊形，綜合考慮測區范圍內像控點布設方式與內業空三加密解算精度之間的關系，研究不同的像控點布設形式對不規則區域實景三維模型精度的影響。在設計測區像控點布設方案時，以像控點布設原則為基礎，充分考慮測區范圍、地形及建筑物密集程度等因素，根據研究區域實際形態特征擬定了四種像控點布設方案，所有點位均為平高控制點。

方案一：周邊布設，根據測區范圍的實際形態，在測區邊緣布設像控點，像控點依次連線構成的面盡量包含整個測區，本次布設15個像控點（如圖1所示），研究邊角布控對三維實景模型的精度影響。

圖1 測區周邊布設

方案二：中心布設，僅在測區中部布設像控點，本次布設5個像控點（如圖2所示），研究中心布控對三維實景模型精度的影響。

圖2 測區中心布設

方案三：均勻布設，在滿足邊緣布設的情況下，測區中部增設少量像控點，本次共布設10個像控點（如圖3所示），研究全面布控對三維實景模型精度的影響。

圖3 測區均勻布設

方案四：加密布設，在方案三的基礎上，對測區像控點的數量進行加密，由于測區為非規則山地丘陵地區，加密布設像控點可更充分反映測區的地形地貌及形狀特征，本次共布設15個像控點（如圖4所示），研究加密布控對三維實景模型精度的影響。

圖4 測區加密布設

依據外業控制點的布設規范，像控點布設在空曠、地表起伏較小的區域[6]，另在測區內布設10個檢核點，使用高精度RTK進行檢核點坐標的測量工作，以檢核點三維坐標為真值，進行實景三維模型精度檢查。

2.2 像控點精度驗證

在進行實景三維模型精度評定之前，需檢核地面像控點的精度，當某像控點出現較大粗差或被破壞時，需采用一定方法對其進行補償或舍棄，從而避免像控點自身誤差過大對模型精度的影響[7]。本文共設計了四種像控點布設方案，共計15個不同位置的像控點，結合影像POS數據進行空中三角測量。像控點空三解算質量報告（如表1所示），由空三解算結果可知，重投影中誤差均在1個像素點以內，準確度相對較高；像控點水平中誤差為0.0059m，垂直中誤差為0.0028m，表明所布設的像控點精度相對較高，可用于該地區實景三維模型的構建。

表1 像控點精度評定

3.模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

本文采用低空無人機傾斜攝影測量技術，使用Smart3D構建出測區內的實景三維模型（如圖5所示），其中A為廠房模型；B為平房模型；C為村落一角展示；D為樓房模型。

圖5 實景三維模型

在完成測區實景三維模型的構建工作后，對四種像控點布設方案所得到的四種實景模型的絕對精度進行分析評定，以測區內采用高精度RTK測量得到的檢核點坐標值為真值，以實景模型上與檢核點所對應的點位為測量值，分別計算各點位平面中誤差和高程中誤差，對模型精度進行構建得到的模型做點位精度分析。中誤差計算公式如式（1）所示：

式（1）中，m為各方向中誤差；△為各方向真誤差；n為檢核點數量。

平面中誤差可根據X、Y方向的中誤差進行求解，其公式如式（2）所示：

在測區范圍內共布設10 個模型精度檢核點（J01～J10），分別計算四種像控點布設結果建立的四種測區實景三維模型的平面中誤差和高程中誤差，結果（如表2所示）：

通過對表2和圖6、圖7分析可知，四種像控點布設方案所構建的研究區實景三維模型精度，平面中誤差最大為0.1404m，高程中誤差最大為0.2118m，我國測繪行業標準《三維地理信息模型數據產品規范》中對于Ⅰ級產品具有明確的精度要求[8]，其中1∶500成圖比例模型的平面精度要求為0.3m，高程精度要求為0.5m，所以本次研究過程中所采用的四種像控點布設方案均滿足規范要求；但相對而言，高程精度要低于平面精度，這是由于測區為山地丘陵地區，地表起伏較大，而像控點的布設條件相對有限，無法完全反映測區的地形地貌。

四種像控點布設方式所得到的是實景三維模型的精度具有較為明顯的差異，其中像控點在測區中心布設所構建的實景模型精度最低，平面中誤差為0.1404m，高程中誤差為0.2118m，其主要原因是像控點布設位置連線未能覆蓋整個研究區域，但由于測區面積相對較小，所以所構建模型精度能夠滿足規范要求；采用測區周邊布設方案所構建的模型精度高于中心布設，平面中誤差為0.0561m，高程中誤差為0.1065m，主要是由于研究區域為非規則區域，在測區周邊非規則特征處布設像控點，能夠反映出測區形態特征，所以模型精度較高；方案三采用測區范圍內均勻布設像控點方案，既滿足測區周邊非規則形態要求，又在測區中心區域均勻布設，能夠反映出測區整體地形地勢特征，所構建模型精度相對方案一和方案二較高，所構建的實景三維模型平面中誤差為0.0278m，高程中誤差為0.0590m；方案四在方案三的基礎上，對像控點布設數量進行加密，能夠對測區的地形地勢及形狀特征進行充分表現，以該像控點布設形式構建的實景模型，在本文的四種像控點布設方案中精度最高，所構建的實景三維模型平面中誤差為0.0271m，高程中誤差為0.0475m，但相對方案三而言，精度提升相對較少。因此，在實際布設像控點時，需根據測區形態特征、地形地勢等實際情況，按需布設，優化像控點布設方案，既保證實景模型精度，又能降低成本，減少工作量，提高工作效率。

表2 實景三維模型精度評定

圖6 檢核點平面中誤差

圖7 檢核點高程中誤差

3.2 幾何精度分析

由于研究區域內有較多建筑及道路等幾何結構物存在，而點位精度評定無法表現出此類建筑物的幾何精度情況。本文在點位精度檢核的基礎上，引入模型幾何精度分析，在研究區域內選擇特征較為明顯的幾何建筑物，構建多方向特征建筑連線，以線段為單位對不同像控點布設方案構建的測區實景三維模型的幾何精度進行評定，進而研究不同像控點布設形式對實景三維模型幾何精度的影響。

本文共構建了8段測區范圍內不同方向的特征建筑連線（L1～L8），其中L1～L4為測區范圍內長線段，L5～L8為短線段，以測區內的實際測量結果為真值，同時在實景三維模型上選取對應的線段，量測模型上的長度值，作為測量值，對實景三維模型的幾何精度進行綜合評判。其結果（如表3所示）：

表3 模型幾何精度評定

通過對表3分析可知，四種像控點布設方案的幾何精度均達到99.5%以上，四種像控點布設方案所構建的實景三維模型的幾何精度均滿足規范要求，但短基線的幾何精度明顯要優于長基線的幾何精度；四種像控點布設方案所構建的實景模型的幾何精度由高到低排序為加密布設＞均勻布設＞周邊布設＞中心布設，由此可見，在測區范圍內布設像控點時，在滿足測區邊緣形態的要求下，在中心區域加密布設像控點，能夠在一定程度上提高測區實景三維模型的幾何精度，尤其是短基線的幾何精度，能夠得到較大程度提高，進而使得實景三位模型更加貼近測區內建構筑物的真值。所以，在構建測區實景三維模型時，應充分考慮像控點布設方案對三維模型絕對精度和相對精度的影響，在滿足規范和應用要求的前提下，選擇合理的像控點布設方式，減少工作量，降低建模成本。

4.結束語

本文采用無人機低空攝影測量技術獲取某山地丘陵地區非規則區域的實景三維模型，根據研究需要，設計測區周邊布設、測區中心布設、測區均勻布設及測區加密布設四種像控點布設方案，對不同方案所構建的實景三維模型精度進行分析評定，其中測區加密布設像控點所構建的三維模型精度最高，因其既滿足了測區邊緣形態要求，又能對測區的地形地勢進行綜合反映，但該方案與測區均勻布設像控點的模型精度相差無幾，實際布設像控點時，需綜合考慮建模成本和外業工作量；在測區中心布設像控點所構建的實景三維模型精度最低，主要是測區為非規則區域，中心布設像控點無法反映測區形狀；同時對四種像控點布設方式的幾何精度進行綜合評判，結果表明：在滿足測區邊緣形狀的條件下，加密布設像控點，所構建的三維模型幾何精度最高。像控點的布設方式和實景模型的精度密切相關，在滿足成果精度要求的前提下，不斷對像控點布設方式進行優化，進而減少工作量，不斷提高工作效率。