抽水蓄能電站無人機實景三維建模方案精度對比分析

王 明，呂仲良，趙延嶺，李祖鋒

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

由于近年來低空無人機航空攝影技術的飛速發展，基于無人機平臺搭載的傳感器也越來越豐富，能根據日常項目的需求提供不同類型的產品。傾斜攝影技術作為低空無人機技術的一個分支，以其全方位、多角度、高精度等方面的優勢，逐漸成為測繪領域獲取空間數據的重要技術手段之一[1]。

傾斜攝影技術是通過1～5個不同角度的鏡頭同時攝取地面影像[2]，以獲得地面構筑物的多視角高分辨率紋理信息，在無人機平臺安裝了PPK或RTK模塊的情況下，它能夠獲取帶有精確位置信息的影像數據，多種技術手段結合后能有效提高產品的精度。三維實景模型作為傾斜攝影主要的3D產品之一，能直觀地瀏覽所攝區域的地表紋理，查詢目標區域的三維坐標，或以此為基礎進行BIM設計、地形圖制作等，因此它的清晰度與精度會對后續的工作產生直接的影響，能為后續的進一步處理提供數據支撐[3-6]。不同精度的三維實景模型，對影像數據有不同的要求，數據采集的方式及處理效率也有很大的差異。本文對由單、多鏡頭影像生產的三維實景模型進行分析研究，比較兩者的優缺點，為該在抽水蓄能電站項目中應用技術的經濟性和適用性提供參考。

1 基于單、多鏡頭影像的三維實景模型制作

單鏡頭和多鏡頭在數據獲取及模型制作流程方面，基本是一致的，而在作業效率、數據精度等方面，卻有諸多的不同(如表1所示)；相對于單鏡頭影像，多鏡頭影像在模型清晰度及精度方面具有諸多優點，但影像數據量會成倍增加，且在飛行效率及后期數據處理方面，需要更多的軟硬件支持，耗費大量時間；而單鏡頭影像無論是在數據獲取還是建模效率方面，則有較大優勢[7]。因此，在實際工作中，可選擇不同的鏡頭模式，來滿足具體建模的需求，如地形起伏較大、對地表紋理清晰度、模型數學精度要求較高，模型數據還需進一步加工的區域，可選擇多鏡頭平臺，在地形平坦、對模型紋理要求不高的區域，可選用單鏡頭平臺。

表1 單、多鏡頭的區別

2 工程實例

2.1 工程概況

以國內某抽水蓄能電站為實驗區域，要求提供該區域工程布置范圍內的三維實景模型，且平面及高程精度達到1∶500地形圖的規范要求。該區域形狀比較規則，東西長約3.8 km，南北長約3.3 km，面積約12 km2，以山地為主，地形起伏較大，最大落差約585 m，最低海拔1 159.00 m，最高海拔1 744.00 m，地面植被較少，無人機平臺采用縱橫-CW15垂直起降固定翼無人機，搭載的傳感器為CA503全畫幅五鏡頭傾斜攝影相機。整個區域分2個航高共完成5個架次的飛行，航向重疊率85%，旁向重疊率75%，平均地面分辨率4.5 cm，相對航高347 m，單個鏡頭獲取影像4 409張，五鏡頭共獲取影像 22 045張。影像POS數據經PPK后處理差分系統解算后得到精確的影像位置信息，供后期空三加密使用。實驗范圍內共布設48個地面像控點，并采用GNSS-RTK實測62個均勻分布的檢查點(點位分布如圖1所示)[8]。

2.2 實驗方案

在保持像控點不變的情況下，將5個架次的五鏡頭影像數據、各架次下視鏡頭影像數據分別進行處理，進行空三加密，并生產三維實景模型，用實測的RTK檢查點檢查2種模型的平面及高程精度。

圖1 像控點及檢查點位分布

2.3 精度評價

2種模型的最終精度對比結果如表2所示：

表2 模型精度對比結果

從表2可知，五鏡頭方式建模的平面和高程精度均優于單鏡頭數據模型。圖2、3為2種模型中62個檢查點平面中及高程中誤差分布圖：從圖3、4中可以看出單鏡頭數據模型的平面及高程誤差較大，且誤差分布不均勻，而五鏡頭數據模型的各點位誤差較單鏡頭模型更加穩定，模型精度更高。

圖2 模型各點位平面中誤差分布

圖3 模型各點位高程中誤差分布

圖4 模型紋理對比

圖4為2種模型的紋理清晰度對比情況，從圖片中可看出五鏡頭數據模型的紋理清晰度明顯優于單鏡頭模型，尤其在側面紋理區域，五鏡頭數據模型更具優勢。

2.4 結果分析

(1) 在模型精度方面，無論是平面還是高程，五鏡頭數據的模型精度更優，且整體的誤差更加均勻，單鏡頭數據的模型精度略差，但在像控點同條件約束的情況下，基于2種模型生產的地形圖精度能夠滿足國家測繪地理信息局行業標準CH/T9008.1-2010《基礎地理信息數字成果1∶500 ,1∶1000 ,1∶2000數字線劃圖》中地物點平面位置中誤差不超過0.4m，高程注記點中誤差不超過0.5m的要求[10]。

(2) 在模型紋理清晰度方面，五鏡頭數據模型由于包含了更多的側面紋理信息，因此具有更高的清晰度，在后期數據處理及模型精修方面具有更多優勢。

(3) 在生產效率方面，與單鏡頭相比，五鏡頭相機獲取影像數量大，航測內業三維建模的數字空三和模型生產工序對算力要求高，綜合生產效率較低。但對模型紋理清晰度要求低的地形測繪時，單鏡頭數據模型可高效完成地形建模類任務。

3 結 語

本文通過對單鏡頭、五鏡頭兩類影像三維實景模型的分析研究，綜合比較了2種鏡頭數據模型數學精度及紋理清晰度，分析了它們的優缺點，對三維實景模型僅用于DLG產品的生產，但在模型清晰度要求不高的情況下，可采用單鏡頭的生產模式降低成本，提高生產效率。在對三維實景模型既要有滿足規范的平面及高程精度，又要有較高的清晰度時，如后期的模型單體化、模型精細化編輯，可采用五鏡頭的生產模式。因此在實際生產過程中，可根據不同的目標需求選擇合適的生產模式，可為今后類似項目實施提供參考依據。