基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的大比例尺測圖精度方法探討

王劍 李立 李昱 謝文明

（湖南省地質(zhì)測繪院，湖南 衡陽 421001）

1 引言

《測繪地理信息事業(yè)“十三五”規(guī)劃》對新時期全國測繪地理信息事業(yè)發(fā)展作出部署。湖南省地質(zhì)測繪院積極響應(yīng)，緊跟測繪技術(shù)發(fā)展的新要求，研發(fā)湘地測傾斜攝影測圖系統(tǒng)，通過嚴(yán)密算法，實(shí)現(xiàn)了基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的大比例尺數(shù)字測圖。實(shí)踐證明，該技術(shù)能滿足1∶500 地形、地籍圖的精度要求。然而，對于一些精度要求更高的地籍測繪，這種新型航測成圖方式是否能滿足要求呢？本文以廣東省汕尾市海豐縣新村地籍測量為例，根據(jù)項目特別要求，將房屋邊長測量中誤差控制在2 cm 以內(nèi)，對基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的大比例尺測圖精度方法進(jìn)行探討。

2 地籍精度要求

2.1 界址點(diǎn)精度

根據(jù)項目需要，采用傾斜攝影測量、三維激光點(diǎn)云獲取界址點(diǎn)（房腳點(diǎn)），界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差不超過表1 規(guī)定。

表1 界址點(diǎn)精度要求

2.2 邊長精度

采用此方法測量的地區(qū)，邊長精度不超過表2規(guī)定。

表2 邊長精度要求

3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)精度控制

3.1 地面分辨率

地面分辨率是決定成圖精度最重要的因素，傾斜攝影的模型精度和地面分辨率約呈3∶1 的關(guān)系，但從三維模型到數(shù)字成圖由于控制點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、刺點(diǎn)、模型采集等過程中的精度損失，成圖后的精度與地面分辨率的比值超過3 倍。

根據(jù)公式：地面分辨率=像元大小÷鏡頭焦距×飛行高度，目前主流傾斜相機(jī)采用SONY-ILCE5100，像元大小3.92×10-6m，當(dāng)選擇焦距為35 mm 時，參數(shù)如表3 所示。

表3 35 mm焦距參數(shù)表

為保證獲得最佳的成圖精度，盡可能采用地面分辨率較小的航飛高度采集影像。

3.2 像控點(diǎn)

像控點(diǎn)密度和樣式?jīng)Q定點(diǎn)位的絕對精度。選擇像控點(diǎn)樣式時，要削弱視覺差帶來的影響，選擇對稱圖形作為像控點(diǎn)符號。像控點(diǎn)布設(shè)方案依照航測規(guī)范，傳統(tǒng)航測六條基線布設(shè)一個像控點(diǎn)，但在傾斜攝影測量中，下視鏡頭和45°的傾斜鏡頭使得視范圍更大。布設(shè)像控點(diǎn)時，根據(jù)測算，一般10 ～12 條基線布設(shè)一個像控點(diǎn)較合適。

3.3 空三質(zhì)量

空三解算主要是自由平差和約束平差，自由平差需杜絕照片分層，刺點(diǎn)后進(jìn)行約束平差。根據(jù)規(guī)范，像控點(diǎn)距數(shù)字影像邊緣的距離不應(yīng)小于1 mm，在實(shí)際刺點(diǎn)時無法準(zhǔn)確估計距離，一般應(yīng)距離邊緣不小于照片最小化后3 個刺點(diǎn)框的距離。根據(jù)經(jīng)驗，像控點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差達(dá)到1/2 個像素時，個別控制點(diǎn)模型上獲取的坐標(biāo)值與外業(yè)實(shí)測的控制點(diǎn)坐標(biāo)差值可能達(dá)到3 cm，這對于大比例尺高精度成圖的精度影響較大。

3.4 內(nèi)業(yè)成圖

模型上成圖與傳統(tǒng)測圖有一個很大差別。前者能對建模全貌有清晰認(rèn)識；但后者由于只能按測站分片采集坐標(biāo)點(diǎn)，內(nèi)業(yè)繪圖時往往將多次測站的數(shù)據(jù)整合在一起，容易使房屋結(jié)構(gòu)表示不準(zhǔn)確，造成外業(yè)調(diào)繪或產(chǎn)品質(zhì)檢時，因模型上測圖選取的位置不一致，邊長值相差較大。

4 項目實(shí)施

在廣東省汕尾市海豐縣新村，選取一個村組進(jìn)行實(shí)驗，實(shí)驗區(qū)域面積約0.135 平方千米。根據(jù)甲方特別要求，邊長測量中誤差應(yīng)控制在2 cm 以內(nèi)。

使用六軸多旋翼無人機(jī)掛載五拼相機(jī)進(jìn)行航飛，五拼鏡頭焦距均為35 cm，航飛高度80 m，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，地面分辨率約0.89 cm。標(biāo)靶采用圓形內(nèi)十字紙質(zhì)標(biāo)靶，約120 m 布設(shè)一個像控點(diǎn)，共布設(shè)8 個像控點(diǎn)（如圖1 所示），航拍照片6760 張。 空三計算，8 個像控點(diǎn)刺點(diǎn)精度均在1/3 像素內(nèi)，如圖2 所示。通過裸眼測圖軟件，在模型上進(jìn)行立體測圖，繪制線劃圖（如圖3、圖4 所示）。

圖2 空三計算

經(jīng)外業(yè)檢查，量測房屋邊長193 條，邊長精度如表4 所示。

表4 邊長精度

經(jīng)核查，檢核差值較大的邊長出現(xiàn)的問題主要有： （1）模型拉花。在模型有遮擋、采光不佳及像控精度較差的情況下，易出現(xiàn)模型拉花，這個問題屬于不可控因素。目前解決辦法：內(nèi)業(yè)采集時做好標(biāo)識，由外業(yè)實(shí)地調(diào)繪。（2）邊長對應(yīng)錯誤。測量員量測邊長時量測的是房屋對邊，導(dǎo)致邊長對應(yīng)不上，精度相差較大。（3）內(nèi)業(yè)采集錯誤。通過內(nèi)業(yè)自檢自糾可減少該錯誤。（4）內(nèi)、外業(yè)量測位置不統(tǒng)一。因量測前缺乏溝通，遇到特殊房屋產(chǎn)生分歧。（5）遮擋房屋棟數(shù)。在房屋密集、樹木蔥郁的村莊，遮擋房屋不可避免。目前解決辦法：內(nèi)業(yè)采集時做好標(biāo)識，由外業(yè)實(shí)地調(diào)繪。（6）邊長統(tǒng)計錯誤。技術(shù)員在量測邊長時有拐點(diǎn)位置未區(qū)分，而進(jìn)行整體量測。內(nèi)業(yè)因節(jié)點(diǎn)，一條整邊按兩條邊繪制。（7）外業(yè)推理出的邊長值。理論上大部分房屋規(guī)則整齊且房角垂直，墻面之間互相平行。因此，當(dāng)外業(yè)遇到并排房屋的共墻面無法量測時，只能根據(jù)其他墻面的邊長推算出肉眼無法看到的墻面。

圖3 測區(qū)三維模型

圖4 測區(qū)數(shù)字線劃圖

5 總結(jié)

精度把控是一項系統(tǒng)工程，通過項目驗證，對以上各環(huán)節(jié)的操作進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范，從外業(yè)航飛、像控點(diǎn)布設(shè)、空三解算精度、內(nèi)外業(yè)測圖等方面層層把關(guān)，最終結(jié)果可以滿足高精度測圖要求。