基于無人機傾斜攝影測量的精細化三維模型精度分析

毛志芳 張華平

(江西省地質局地理信息工程大隊, 江西 南昌, 330000)

0 引言

我國正處于城鎮化進程不斷加快發展的階段,對于地理信息產業要求越來越高。只有建立一個統一的數字城市地理空間框架,才能實現各種信息集成,滿足城市科學、穩定、快速的可持續發展需求。

三維信息采集和三維模型的大批量構建對數字城市建設極其重要。構建三維模型的方法有很多,比如手工建模、三維激光掃描建模、機載雷達建模、傾斜攝影測量建模等。近年來,隨著無人機技術的發展,傾斜攝影測量三維建模方法突破了傳統建模方法數據采集慢、建模周期長的缺點,大大提高了建模效率,同時也降低了建模成本,極大地提高了傾斜模型在各行各業的應用發展前景。因此,研究傾斜攝影三維建模技術精度影響因素對于大規模建立實景三維模型、推動數字城市建設意義重大。

1 傾斜攝影三維建模的基本原理與方法

使用無人機傾斜攝影測量技術進行三維模型的構建主要分為兩步：野外數據采集和三維模型構建。

野外數據采集包括控制點布設與量測、使用無人機平臺搭載鏡頭采集帶有三維信息的航攝相片。盡管一些學者研究出了免像控三維建模的方法,但是這種建模方式往往精度較差,模型效果也不好,因此本文仍選擇布設與量測像控點。采集航攝相片主要有兩種方式：一種是單鏡頭采集方式,一種是五鏡頭采集方式。兩種方式原理相同,都是采集垂直角度和前、后、左、右4個傾斜角度5個方向的地表影像(圖1),只是外業作業方式不同,工作效率也不同。單鏡頭采集方式采用搭載可旋轉方向的單鏡頭無人機通過井字飛行方式分別采集五個方向的地表影像,硬件成本低,但是航攝工作更加繁復,效率也低;五鏡頭采集方式采用搭載五鏡頭的無人機同時采集5個角度的地表影像,硬件成本相對較高,但工作效率大大提高,更有利于需要大范圍野外采集航攝數據及需要進行大批量傾斜模型構建的項目。

圖1 五鏡頭采集方法示意圖

隨著技術的發展,建模軟件也開發得比較成熟,自動化程度較高,模型構建方法主要包括以下5個步驟：影像稀疏匹配、空中三角測量、影像密集匹配生成密集點云、通過密集點云構建三角網,自動紋理映射生成實景三維模型。

2 控制點數量和航高對傾斜模型的精度影響

2.1 實驗設計

為了能夠更好地模擬城市精細化三維建模,實驗測區需包含城市綠地、硬化道路、多層建筑物、橋梁等城市的基本要素,故選擇位于某市大學校區內的測區A,如圖2所示。該測區以一圖書樓為中心,是邊長為300 m的正方形測區。

圖2 測區示意圖

控制點數量和航高的設計對城市精細化建模內、外業工作效率影響較大,同時也影響著傾斜模型的精度。為了分析控制點數量與航高對傾斜模型精度的影響,本文設計了4種控制點布設方案和5種不同的航高方案交叉生成20種模型。在300 m的正方形測區內均勻布設25個測點,分別選取3、6、9、12個測點為控制點,其余點為檢測點,用于對傾斜模型精度的檢測,如圖3所示。使用全站儀和水準儀測出25個測點的坐標。

圖3 控制點布設方案

本實驗使用六旋翼無人機搭載五鏡頭采集地表影像,航高分別設定為80、100、120、140、160 m,旁向重疊度為75%,航向重疊度為80%,共采集了905張相片,飛行方案如表1所示。

表1 飛行方案

2.2 精度分析

本實驗設計了4種點位布設方案和5種航高設計方案,共交叉生成了20種傾斜模型,通過計算檢查點的均方根誤差即中誤差,對這20個模型分別進行模型整體精度評價,結果如圖4所示。

圖4 模型精度分析圖

經統計分析可知,20個實驗方案中,當航高為80 m,控制點數量為12個時,傾斜模型精度最高,平面精度為3.4 cm,高程精度為3.1 cm;當航高為160 m,控制點數量為3個時,傾斜模型精度最低,平面精度為14.9 cm,高程精度為16.5 cm。參照CityGML標準對精細模型的精度要求,20個傾斜模型均滿足標準中要求的0.2 m的平面和高程精度。

由圖4可知,當飛行高度相同時,傾斜模型的平面精度和高程精度隨控制點數量的增多而提高;當控制點數量相同時,傾斜模型的平面精度和高程精度隨飛行高度的降低而提高。當控制點為3個時,傾斜模型已經有較好的精度。隨著航高的降低,雖然傾斜模型精度會提高,但是無人機獲取的相片會增多,內、外業工作效率都會相應降低。因此,在滿足項目精度要求的前提下,適當選擇稍大的飛行高度,能夠提高工作效率、節約項目成本。

3 POS數據對傾斜模型的精度影響

3.1 實驗設計

空中三角測量是構建傾斜模型最重要的步驟之一,它有像控點定向和定位定姿系統(position and orientation system，POS)定向兩種絕對定向方式。POS數據記錄了無人機在拍照時的坐標信息,由于風力等因素,往往精度不高。本實驗設計研究了在空三測量的過程中,POS數據能否輔助像控點進行絕對定向,對傾斜模型精度有無影響。選擇位于某市大學校區內的宿舍樓為測區B,研究對象為測區內的七棟16 m高的五層宿舍樓和數棟單層建筑,如圖5所示。

圖5 測區示意圖

本實驗使用六旋翼無人機搭載五鏡頭采集測區影像,航高設定為100 m,旁向重疊度為80%,航向重疊度為85%,共采集了1 440張相片。在測區均勻布設42個測點,并用全站儀與水準儀量測測點的坐標,選擇其中13個為控制點，如圖6所示,另外29個為精度檢測點,其中9個為平面檢測點,20個為建筑上容易辨識的房角點。

圖6 像控點與航帶分布圖

通過內業數據處理,進行實景三維模型的構建,共構建了兩個傾斜模型,一個有POS數據輔助,一個無POS數據輔助,兩個模型均構建完整。但是在細節處兩者有所不同,如圖7所示,無POS輔助的三維模型局部細節處能看到明顯的扭曲,有POS輔助的模型則更加精細。

(a)有POS輔助三維模型

(b)無POS輔助三維模型

3.2 精度分析

將29個檢測點分為兩組,分別是9個地面檢測點和20個房角點檢測點。針對有無POS輔助構建的三維模型,分別對這兩組檢測點進行精度分析,結果如表2、表3所示。

表2 地面檢測點精度表 單位：cm

表3 房角檢測點精度表 單位：cm

由表2可知,針對地面檢測點來說,有POS輔助與無POS輔助生成的傾斜模型精度無明顯差距,兩者精度都很高,有POS輔助模型地面檢測點的平面和高程精度沒有明顯提升。由表3可知,針對房角檢測點來說,有POS輔助生成的模型平面精度明顯提高,提高了約三分之一,由分米級提升為厘米級。

4 結束語

本文通過兩個測區的實驗,分別研究了像控點數量、航高、POS輔助對城市精細化三維模型精度的影響。證明了像控點數量提高、航高降低都會提高傾斜模型的精度,有POS輔助生產的模型能夠提高房角點的平面精度,也能提高模型局部精細化程度,但是對于精度較高的地面精度無明顯影響。同時本文也驗證了基于低空無人機的城市精細化建模方法的可行性,給城市精細化建模相關項目提供了參考。