不同航飛模式下無人機(jī)實(shí)景三維建模質(zhì)量對比分析

段 勝,周雅慧

(湖南地騰土地規(guī)劃咨詢有限公司，長沙 41007)

0 前 言

隨著無人機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、攝影測量技術(shù)的發(fā)展，利用無人機(jī)搭載數(shù)據(jù)采集載荷，能夠高效、全面的獲取所需要的地理信息數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為了獲取地理信息數(shù)據(jù)的重要手段之一[1-3]。近年來，隨著小型低空消費(fèi)級無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，小型低空消費(fèi)級無人機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)成為測繪生產(chǎn)的重要工具之一，利用小型無人機(jī)搭載影像采集鏡頭，從不同的角度采集所在區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，通過傾斜攝影測量技術(shù)，能夠快速的獲取采集區(qū)域的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，其具有的靈活輕便、高精度、低成本的特點(diǎn)，使其成為了實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集的主要工具之一。與此同時(shí)，測繪管理部門也在逐步推動(dòng)無人機(jī)、傾斜攝影測量等新型技術(shù)的應(yīng)用，鼓勵(lì)采用無人機(jī)來獲取實(shí)景三維數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于1∶500地形圖的生產(chǎn)和更新。利用小型無人機(jī)開展傾斜攝影測量，獲取實(shí)景三維數(shù)據(jù),開展大比例尺地形圖生產(chǎn)與更新，能夠?yàn)榈乩硇畔?shù)據(jù)快速獲取及更新提供技術(shù)保障[4-5]。

目前利用小型無人進(jìn)行傾斜攝影測量存在多種航飛模式，主要包括五向航飛、環(huán)繞航飛、擺動(dòng)航飛等，不同的航飛模式在影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、照片數(shù)量、照片拍攝角度和分辨率上存在差異，會(huì)影響到實(shí)景三維成果數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率、模型紋理、模型精度等。為進(jìn)一步研究不同航飛模式下無人機(jī)獲取實(shí)景三維數(shù)據(jù)的航飛效率、建模效率、模型精度和模型質(zhì)量，本文采用試驗(yàn)對比的方式，采用五向、環(huán)繞、擺動(dòng)3種航飛模式采集實(shí)景三維數(shù)據(jù)，探討不同航飛模式下無人機(jī)獲取影像數(shù)據(jù)分辨率、航飛時(shí)間和照片數(shù)量的差異，并對各模式下制作的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為小型無人機(jī)實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

為了分析不同航飛模式對實(shí)景三維建模成果的影響，本文采取實(shí)驗(yàn)對比的分析方式，在同一區(qū)域采用同一影像采集設(shè)備，分別使用五向航飛、環(huán)繞航飛和擺動(dòng)航飛等航飛拍攝方法獲取影像數(shù)據(jù)。利用大疆智圖三維建模軟件，根據(jù)各模式獲取的影像數(shù)據(jù)生成實(shí)景三維模型，研究不同航飛模式下的航飛時(shí)間、照片數(shù)量、建模效率和建模成果質(zhì)量，對生產(chǎn)效率、模型精度、模型紋理進(jìn)行對比分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

為了分析不同航飛模型下的三維建模效率及質(zhì)量，本文采用實(shí)驗(yàn)對比分析的方式，利用大疆無人機(jī)M300搭載大疆P1鏡頭(35 mm焦距版)，在相同的航飛高度，采用不同的航飛模式采集影像數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程中，使用M300無人機(jī)在同一區(qū)域搭載P1鏡頭在相同航飛高度完成五向、環(huán)繞、擺動(dòng)等航飛拍攝任務(wù)，利用大疆智圖軟件，對不同航飛模式下采集的影響數(shù)據(jù)進(jìn)行POS數(shù)據(jù)處理、空三數(shù)據(jù)處理和三維重建工作，生成實(shí)景三維模型。完成三維模型生成后，對不同航飛模式下采集的照片數(shù)據(jù)、航飛時(shí)間、建模時(shí)間、模型質(zhì)量、模型精度進(jìn)行對比分析，獲取不同航飛模式下的實(shí)景三維建模效率及質(zhì)量。其中模型質(zhì)量分析參照CH/T 9024-2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，模型精度檢核采用實(shí)測的方式，利用RTK及全站儀設(shè)備，采集房角點(diǎn)、地物點(diǎn)和地形點(diǎn)的坐標(biāo)，與三維模型提取的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比，獲取三維模型的精度。具體技術(shù)路線如圖1所示[6-7]。

圖1 不同航飛模式下成果數(shù)據(jù)對比技術(shù)路線

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取位于長沙市南部的一處包含建筑物、丘陵和平坦地表的測區(qū)，區(qū)域面積為0.45 km2，是利用小型無人機(jī)獲取實(shí)景三維數(shù)據(jù)的典型區(qū)域。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用大疆M300無人機(jī)和P1鏡頭，同時(shí)為了滿足1∶500比例尺測圖的地面分辨率不低于2 cm的要求，所有航飛任務(wù)的相對航飛高度為125 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，航飛時(shí)的天氣狀況為晴朗天氣。在完成所有航飛影像數(shù)據(jù)采集后，利用大疆智圖完成所有航飛任務(wù)POS數(shù)據(jù)處理、空三解算、三維重建和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集工作。采用RTK設(shè)備和全站儀采集三維模型同名點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)行水平方向與高程方向的綜合分析。實(shí)驗(yàn)區(qū)域如圖2所示，各航飛模式的數(shù)據(jù)采集如圖3所示。

圖2 航飛數(shù)據(jù)采集區(qū)域

圖3 航飛數(shù)據(jù)采集拍攝

2 結(jié)果分析

利用M300無人機(jī)搭載P1鏡頭，通過五向航飛、環(huán)繞航飛、擺動(dòng)航飛完成影像數(shù)據(jù)采集后，利用大疆智圖完成內(nèi)業(yè)三維建模工作，對建模結(jié)果進(jìn)行對比分析。對比分析主要內(nèi)容包括效率分析、模型精度分析和模型精細(xì)化分析3個(gè)部分，評價(jià)不同航飛模式的三維模型成果。

2.1 效率分析

效率分析是對比不同航飛模式下的航飛時(shí)間、照片數(shù)量、內(nèi)業(yè)建模時(shí)間，本次內(nèi)業(yè)建模采用采用單計(jì)算機(jī)建模模式，建模使用的計(jì)算機(jī)設(shè)備的主要配置為：CUP采用因特爾酷睿i9 10900X,顯卡為英偉達(dá)2080 super顯卡，內(nèi)存容量為128g。不同航飛模式的外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)建模效率如表1所示。

表1 不同航飛模式下采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)對比

從表1可以看到，五向航飛的航飛時(shí)間為84 min，采集的照片數(shù)據(jù)量為2735張，照片數(shù)量明顯多余其他拍攝方式，內(nèi)業(yè)建模時(shí)間為15 h也明顯比其他航飛模式所需要的建模時(shí)間要長。采用環(huán)繞拍攝方式，其航飛時(shí)間為40 min，其照片數(shù)量為611張，為所有飛行模式下照片數(shù)量最少的方式，內(nèi)業(yè)建模時(shí)間為4 h，是所有航飛模式中三維建模效率最高的。擺動(dòng)航飛模式的航飛時(shí)間為106 min，是所有航飛模式中數(shù)據(jù)采集時(shí)間最長的，照片數(shù)量為1405張，三維建模時(shí)間為9 h，是環(huán)繞航飛建模時(shí)間的2倍多,相較于環(huán)繞航飛模式，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率和內(nèi)業(yè)建模效率均無優(yōu)勢。此外，由于本次實(shí)驗(yàn)為保證數(shù)據(jù)采集設(shè)備的一致性，統(tǒng)一采用大疆M300無人機(jī)搭載P1單鏡頭數(shù)據(jù)采集模式，若搭載五鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，五向航飛的飛行時(shí)間將縮短至16 min左右，其外業(yè)數(shù)據(jù)采集將為所有方式中效率最高的方式。

2.2 精度分析

模型精度是三維模型的重要數(shù)學(xué)指標(biāo)之一。精度對比分析采用RTK測量設(shè)備和全站儀設(shè)備實(shí)地采集模型范圍內(nèi)均勻分布的房角點(diǎn)、地物點(diǎn)、地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，其中房角點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集利用全站儀獲取，地物點(diǎn)和地形點(diǎn)采用RTK設(shè)備獲取。獲取檢測點(diǎn)的坐標(biāo)后，與三維模型提取的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，獲取不同航飛模式獲取的三維模型精度，其具體的采集點(diǎn)位分布如圖4所示。

圖4 檢核點(diǎn)位分布

精度計(jì)算時(shí)，若實(shí)測坐標(biāo)為 (Xi，Yi，hi),三維模型上采集同名點(diǎn)相應(yīng)位置的模型坐標(biāo)為(Xi′，Yi′，hi′)，計(jì)算各檢查點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為(mxi，myi，mhi)，其計(jì)算如公式(1)所示，最終獲取模型中誤差的計(jì)算方法如公式(2)所示：

mxi=Xi-Xi′myi=Yi-Yi′mhi=|hi-hi′|

(1)

(2)

經(jīng)計(jì)算各個(gè)航飛模式的中誤差對比如表2所示。

表2 各類航飛數(shù)據(jù)三維模型中誤差對比 /m

由表2可知，五向航飛與環(huán)繞航飛的三維模型的在平面方向與高程方向的數(shù)據(jù)精度比較接近，其中平面精度分別為3.2、3.7 cm,高程方向的精度分別為7.4、0.081 cm，均能夠滿足GB-T15967-2008《1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》中1∶500丘陵地區(qū)數(shù)據(jù)精度的要求；而擺動(dòng)航飛生成的三維模型在平面與高程方向的數(shù)學(xué)精度分別為7.0 cm和14.6 cm，其精度與五向航飛和環(huán)繞航飛的生成的三維模型數(shù)據(jù)精度有著較大差距，其平面與高程方向精度誤差都是其它兩種航飛模式的2倍左右，無法滿足規(guī)范相關(guān)要求。

2.3 模型精細(xì)化分析

實(shí)景三維模型質(zhì)量評價(jià)除數(shù)學(xué)精度外，還需要對模型的完整度、精細(xì)度進(jìn)行評價(jià)，其主要評價(jià)指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量和紋理質(zhì)量。其中結(jié)構(gòu)質(zhì)量是數(shù)據(jù)質(zhì)量的直接體現(xiàn)，也是后續(xù)三維數(shù)據(jù)應(yīng)用的主要主體。因此，本文進(jìn)一步對五向航飛、環(huán)繞航飛、擺動(dòng)航飛生成的三維建筑模型進(jìn)行對比分析，模型精度評價(jià)方法參照國家測繪地理信息局CH/T 9024-2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》，部分模型建筑結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 各類航飛數(shù)據(jù)生成模型

由圖5和表3可以得到，擺動(dòng)航飛生成的三維模型，在建筑側(cè)面存在扭曲、空洞、細(xì)節(jié)缺失和失真等的現(xiàn)象，其主要原因是對待攝物的影像拍攝角度不全、數(shù)量少造成的。而環(huán)繞航飛與五向航飛生成的模型質(zhì)量基本相當(dāng)，建筑結(jié)構(gòu)保存完整，細(xì)節(jié)還原較好，只有在窗戶防護(hù)欄等復(fù)雜結(jié)構(gòu)處，環(huán)繞航飛生成模型質(zhì)量略差于五向航飛模型生成的模型，從整體來看，環(huán)繞航飛生成的三維模型還是能應(yīng)用于后續(xù)工作與研究。

表3 各類航飛數(shù)據(jù)三維模型表模型精細(xì)度評價(jià)

3 結(jié) 論

本文針對低空消費(fèi)級無人機(jī)在不同航飛模式下的數(shù)據(jù)獲取效率、三維成果精度和三維建模質(zhì)量等方面的差異，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域采用五向、環(huán)繞、擺動(dòng)等模式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、三維建模與模型質(zhì)量分析，形成以下結(jié)論：

(1) 在數(shù)據(jù)獲取與制作效率方面，擺動(dòng)航飛耗時(shí)是五向航飛的1.26倍，是環(huán)繞航飛的2.65倍；五向航飛的照片獲取量是擺動(dòng)航飛的1.94倍，是環(huán)繞航飛的4.48倍；五向航飛建模時(shí)間是擺動(dòng)航飛1.67倍，是環(huán)繞航飛的3.75倍，環(huán)繞航飛在傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)獲取上速度、照片數(shù)量和三維模型生成效率上都有著較大的優(yōu)勢。

(2) 在三維建模精度方面，五向航飛最優(yōu)，環(huán)繞航飛建模數(shù)據(jù)精度略低于五向航飛；擺動(dòng)航飛成果建模最差，其平面與高程方向精度誤差都是其它兩種航飛模式的2倍左右。

(3) 在建模質(zhì)量方面，環(huán)繞航飛與五向航飛的模型質(zhì)量相當(dāng)，建筑結(jié)構(gòu)保存完整，部分窗戶護(hù)欄等復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達(dá)不完整；而擺動(dòng)航飛的模型存在扭曲、空洞、細(xì)節(jié)缺失和失真等情況，嚴(yán)重影響模型的后續(xù)使用。環(huán)繞航飛在數(shù)據(jù)獲取、制造效率上存在較大優(yōu)勢，在建模精度與建模質(zhì)量等方面與五向航飛基本相當(dāng)，因此，在高時(shí)效性的高精度數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以采用環(huán)繞航飛進(jìn)行航飛作業(yè)，從而減少外業(yè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率，保證中小區(qū)域?qū)嵕叭S建模以及大比例尺測圖數(shù)據(jù)獲取時(shí)效性。

本文利用小型多旋翼無人機(jī)進(jìn)行擺動(dòng)拍攝、五向拍攝和環(huán)繞拍攝3種航飛模式采集影像數(shù)據(jù)，對3種航飛模式生成的實(shí)景三維模型開展了數(shù)據(jù)采集效率、數(shù)學(xué)精度和模型質(zhì)量分析，結(jié)果表明：擺動(dòng)航飛的采集效率都不具備優(yōu)勢，建模數(shù)學(xué)精度相較于其他兩種模式明顯較低；環(huán)繞航飛拍攝方式，其數(shù)學(xué)精度與單鏡頭五向航飛拍攝方式相當(dāng)，建模精細(xì)度相當(dāng)略差于五向航飛，但其具有外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度較快、照片數(shù)量少、內(nèi)業(yè)建模時(shí)間短等優(yōu)勢，是硬件條件不足、模型精細(xì)度要求較低以及數(shù)據(jù)采集時(shí)效性較弱時(shí)的有效解決方案，可為中小區(qū)域?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)采集以及大比例尺測圖數(shù)據(jù)獲取提供參考。