基于消費級無人機傾斜影像的高精度裸眼三維測圖方法研究

丁瑩瑩

(山東省國土測繪院，山東 濟南 250102)

0 引言

基于傾斜攝影的實景三維建模技術[1-4]是在繼承傳統數字正射影像立體建模技術的基礎上，運用更先進的定位、融合和建模技術，將地物表征紋理自動貼合到三維模型上，達到測繪級量測精度[5-7]。在農村區域開展房地一體化測量任務時，采用傳統的測繪方法，存在很多弊端，比如測量工作量大、農村區域入戶難等問題。傾斜攝影測量技術能夠真實地反映地物現狀[8-9]，加之當前三維建模成本大幅降低，并能提供一系列的地物信息，將消費級無人機傾斜攝影技術、自動實景三維建模技術和裸眼立體測圖技術相結合，創新性的提出了一套房地一體化測量技術路線，能夠極大提高內業采集效率，有效減少外業調繪工作量。本文在詳細介紹這一全新技術路線實現基礎上，闡述了裸眼立體測圖原理[10-11]，試驗了基于無人機多種航攝方案下裸眼立體測圖數據精度，并給出了進一步提高測圖精度的合理化建議。

1 裸眼三維測圖原理

裸眼三維測圖是基于裸眼三維技術[12]，脫離開立體眼鏡直接在實景三維模型上展現地物形態并完成地物特征采集。采用這種作業模式，一方面能夠在內業采集到大量普通正射影像上被遮擋的地物信息，有效減少了外業工作量；另一方面降低了作業人員進入立體測圖領域的能力限制。實際作業時，借助專業軟件加載實景三維模型數據，基于實景三維模型上繪制數字線劃圖，真正做到裸眼三維測圖。

1.1 實景三維模型數據加載

(1)OSBG數據轉換：以EPS作業平臺作為試驗對象，該平臺能加載傾斜攝影生成的實景三維模型，支持海量數據的快速瀏覽、二三維的多窗口聯動，并對二三維聯動數據進行同步測圖[13-14]。通過建立索引文件，對Context Capture Center等三維模型軟件處理后的模型進行加載，選擇三維測圖的OSDB數據轉換模塊，導出傾斜攝影提供的data數據和metadata.xml數據，并由傾斜影像中提取密集點云生成數字表面模型(DSM)數據。

(2)本地模型加載：將上個步驟生成的DSM文件作為本地模型加載到EPS作業平臺中，作為基于實景三維模型的裸眼三維測圖的基底模型數據。

1.2 裸眼三維測圖流程

基于EPS作業平臺實現裸眼三維測圖流程如圖1所示。

圖1 EPS裸眼三維測圖流程圖

2 試驗方案設計與實施

2.1 試驗區概況

選擇壽光市飲馬村作為試驗區，面積約0.15km2，有300余戶居民，村貌良好，宅基地戶型較一般村莊復雜，多為兩層建筑，戶與戶之間間隔較近，連戶房、檐廊較多。

2.2 試驗方案設計

基于消費級無人機搭載傾斜相機，獲取農村居民點高分辨率影像，利用Smart 3D軟件進行空三加密，利用Context Capture Center集群式軟件處理得到實景三維模型[15]，在測繪專業平臺下基于實景三維模型采集大比例尺數字線劃圖(DLG)數據，并對空間加密和測圖成果精度進行外業實測對比分析。

(1)航攝方案：本次試驗采用三種設計方案，飛行平臺采用大疆經緯M600PRO多旋翼無人機飛行平臺[16]，選用樂泰C-5五鏡頭傾斜攝影數碼相機進行影像數據采集，單鏡頭有效像素不低于2400萬，航攝時旁向重疊度85%，航向重疊度85%。航空攝影方案設計如表1所示。

表1 影像分辨率與成圖精度對照單位：m

(2)像控點布設原則：像控點采用“L”型設計，布設于村莊主路面，間距約100m，大小約20cm，不能有明顯地物遮擋，保證五個方向的照片均可見。外業基于山東省衛星定位連續運行綜合應用服務系統(SDCORS)的網絡RTK技術進行像控點外業坐標采集，用于內業精度檢核[17]。

(3)空三加密：在Smart 3D軟件下對傾斜影像進行空三加密，相對定向精度應優于1個像素，絕對定向精度平面精度應優于1cm，高程精度應優于3cm。

(4)實景三維模型制作：基于航攝獲取的傾斜影像，利用Context Capture Center系統完成三維模型自動構建。經過影像同名點匹配、特征點點云提取、構TIN生成白模、實景紋理自動映射等工序，最終生成實景三維場景。

2.3 基于實景三維模型的地形圖采集

基于EPS作業平臺進行數據處理，主要包括數據轉換、模型加載、數據采集檢查以及數據導出等。分別對房屋、道路、植被、其他要素等進行繪制。

(1)房屋采集：一種是采用房角采集模式，通過采集房屋的每個拐角點，完成房屋面采集。另一種是墻面采集模式，通過“以面代點”方法采集房屋面上的任一點，從而自動擬合出房屋拐角。通過旋轉三維模型避免房檐干擾，直接采集到房屋墻體上，節省了大量外業調繪時房檐改正工作量。

(2)道路采集：在實景三維模型上采集道路任意一條邊線，通過支路邊線作業模式由軟件自動生產另一側道路平行線。

(3)其他要素采集：繪制一個封閉區域作為邊界后對植被構面，自動生成二三維植被符號，并與實景三維模型相吻合；采集斜坡邊緣先后自動生成二三維斜坡符號，并與實景三維模型相吻合；利用加點功能逐個采集井蓋、路燈等獨立地物(圖2)。

圖2 EPS平臺下裸眼三維測圖

3 試驗結果分析

(1)空三加密精度分析

空三加密精度受諸多因素影響，例如航攝重疊度、相機成像質量、鏡頭畸變率、航攝天氣狀況、像控點分布、像控測量和刺點精度等[18-19]。以40m航高作為研究對象，在試驗區布設20個像控點，分別將像控點均勻刪除留至10個、6個，其余作為檢核點，精度對比如表2所示。

由表2可知，在小范圍試驗區的空三加密過程中，增加像控點可以明顯減少加密殘差，但對檢核點的殘差影響不大。為進一步驗證空三加密成果的可靠性和精度，在試驗區另外選取40個特征點的平面和高程坐標進行實測，對比實景三維模型精度，結果如表3所示。

表2 不同像控點密度下空三加密精度對比

表3 不同像控點密度下三維模型特征點精度

由表3可知，不同像控點密度下，三套數據中20個像控點的實景三維模型精度最高，但整體相差不大，6個像控點下的特征點有個別平面點和高程點精度超限，因此在大區域作業時像控點間距控制在200m以內為宜。

(2)測圖精度分析

以40m航高下獲取的傾斜影像制作完成的實景三維模型為基礎，分別對房角采集模型下采集的房角點坐標、基于墻面采集模式下的房角點坐標與外業實測的對應房角點坐標進行對比分析[20]，平面位置較差如圖3所示。

經過統計，房角采集模式和墻面采集模式的精度與實測精度的差值中誤差分別為±0.039m和±0.041m。相較而言，房角采集模式下的測圖精度稍高，但兩種采集模式的測圖精度均能滿足大比例尺地形圖精度要求。

對圖3中的點位平面精度分布區間(cm)進行細分，結果如表4所示。

圖3 兩種房屋采集模式與實測平面位置精度較差分布(藍色為房角采集模式，橙色為墻面采集模式)

由表4可知，基于墻面采集模式采集精度位于(7,∞)區間的房角點明顯多于房角采集模式，分析原因是由于實景三維模型在這些點位處存在一定的模型扭曲現象，從而造成誤差增大。

表4 坐標精度較差區間分布情況

選取測圖成果中的90個地物和地貌特征點作為高程精度檢核點，與外業實測高程值進行對比分析。

經過計算與統計，最大誤差為0.161m，最小誤差為0.023m，中誤差為±0.061m，高程精度能夠滿足大比例尺地形圖精度要求。

4 結論

與傳統航攝法大比例測圖方法相比，利用消費級無人機搭載傾斜相機開展航空攝影，在此基礎上基于高精度實景三維模型測圖，是一種適合于在廣大農村地區推廣應用的地籍與房產一體化測量的創新性技術，具備傾斜影像獲取便捷、專業素質要求低、外業工作量小等優勢，并已探索建立起成熟的生產技術路線，其數據成果精度經驗證能夠滿足大比例測圖精度要求，測圖的精度取決于航攝數據的獲取精度，地形圖成圖精度經驗值為影像分辨率的3～5倍。

(1)基于實景三維模型測圖精度損失主要產生于兩方面：一是實景三維模型造成的精度損失，利用消費級無人機開展傾斜攝影，由于航高一般都較低，容易出現地物陰影和地物遮擋等盲區，局部反演出的點云數據存在一定高程誤差，造成模型局部扭曲，導致基于墻面采集的房屋點精度超限；二是采集模式造成的精度損失，采用房角測量模式的精度要優于基于墻面測量模式采集的房角點，分析原因主要是因為基于墻面進行房屋邊線采集時，每個墻面上的特征點采集完成后軟件自動完成房屋面擬合，沒有考慮房屋在建成時形狀差異性，因此造成一定擬合誤差，但基于墻面采集速度明顯優于房角測量模式，可作為主要采集模式。

(2)為充分發揮基于墻面采集模式的高效率，有效提高采集精度，需要選擇合理間距布設像控點，提高像控點采集精度，提高空三加密整體位置精度。提高模型表面表達精細度，減少實景三維模型局部扭曲。選好攝影季節，減少植被和其他覆蓋物對房屋等主要要素的遮擋，同時保證具有足夠的光照度，避免產生過大的陰影。