無人機傾斜攝影測量的三維模型精度分析

楊 崗

（大連理工大學，遼寧 大連 116000）

近年來無人機傾斜攝影測量技術得到了快速發展，因其高時效、高精度、作業方便靈活等特點在城市規劃、礦山測量等方面得到了廣泛的應用。相比于垂直攝影，其只能獲得地物的正射影像，而傾斜攝影測量可以獲取地物的側面圖像信息，通過建模軟件構建出更加逼真并帶有空間位置信息的三維模型[1-4]。

本研究以大連理工大學山上禮堂為研究區域，利用大疆四旋翼無人機搭載單鏡頭相機對研究區域進行傾斜攝影，利用Context Capture 軟件進行數據處理，經過影像聯合平差、影響密集匹配、紋理映射等步驟建立三維模型，運用中誤差對模型精度進行分析，設置多組實驗研究不同飛行高度、不同控制點數量對模型精度的影響。驗證基于無人機傾斜攝影測量建立三維模型的可行性及可靠性。

1 無人機傾斜影像數據獲取

1.1 試驗區域概況

試驗區域選取以大連理工大學山上禮堂為中心，形成150 m×200 m 的矩形區域，實驗區域內包含建筑物、植被、地勢起伏可以更好地研究傾斜攝影測量的精度影響因素。本文的實驗目的是研究飛行高度和控制點數量對模型精度的影響，根據實驗目的和實際情況，本次試驗共設計六種飛行高度（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m）飛行試驗，航向和旁向重疊率均為80%。

1.2 實驗設備

試驗通過大疆公司研制的經緯M300 RTK 四旋翼電動無人機進行拍攝，并搭載大疆禪思H20 相機。

1.3 控制點施測

為了研究控制點數量對模型精度的影響，實驗共設置24 個控制點，根據控制點布控原則，首先在百度地圖上規劃控制點位置，借助規劃圖進行現場布設控制點，控制點規劃圖，見圖1。采用1 m×1 m 的kt板，同時板上印刷黑白相間的圖案和標號。采用蘇一光RTS 全站儀進行三維坐標測量。

圖1 控制點空間分布圖

1.4 傾斜影像獲取

為了構建試驗區域的三維模型，并評估三維模型精度及單體建筑物的體積測量精度，設計六種飛行方案，無人機飛行高度分別為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m。對應飛行參數，見表1。由于采用單鏡頭進行傾斜攝影，需要進行五次不同方向的飛行拍攝，包含一組正射影像和四組傾斜影像。

表1 飛行參數

1.5 三維模型構建

本文通運用Context Capture 軟件進行傾影像處理，并建立三維模型。該軟件能夠簡單、高效的構建出精密的三維模型[5-7]。ContextCapture 軟件模型處理流程，見圖2，本次試驗共進行6 種不同飛行高度和3 種不同控制點的飛行試驗方案，共構建了18 個三維模型。進而生成三維點云、三維白膜、三角網和實景三維模型，見圖3。

圖2 三維建模處理流程圖

圖3 三維模型重構過程成果

2 精度分析

本節對整體三維模型進行平面精度分析和高程精度分析，試驗對于六種不同飛行高度分別選刺3、6、9 個控制點構建模型，共構建18 個三維模型。將模型中檢查點的三維坐標與實際檢查點三維坐標進行差值比較，驗證其精度是否滿足相關精度規范要求。

2.1 精度評價方法及標準

中誤差是反應誤差精度的重要指標[8]，因此本章將中誤差作為三維模型精度評定的標準，公式如下：式中：m 為中誤差；n 為樣本個數；z 為測量值與真實值之差。

通過計算實測點坐標與模型中坐標的差值來評價三維模型的整體精度，參考國家《三維地理信息模型數據產品規范》[10]，見表2。地形精度主要表示地物在地形方面的精度，本文通過高程中誤差對模型高程精度進行評價，見表3。

表2 平面精度規范

表3 地形精度規范

2.2 三維模型精度分析

飛行高度分別設置為為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m，三維模型精度誤差情況，見圖4（a 為平面精度，b 為高程精度），當飛行高度設置為為30 m 時，不同控制點數量對應的平面中誤差 分 別 為0.048 m、0.032 m，0.027 m。高程中誤差分別為0.030 m、0.02 m、0.014 m。當飛行高度設置為120 m 時，不同控制點數量對應的平面中誤差分別為0.074 m、0.073 m、0.068 m，高程中誤差分別為0.102 m、0.064 m、0.059 m。

圖4 飛行高度對模型精度的影響

根據《平面精度規范》和《地形精度規范》，基于傾斜攝影測量的三維模型平面、高程精度滿足1：500 比例尺的精度要求，經統計分析，隨著無人機飛行高度增大，三維模型平面和高程誤差均逐漸增大，精度逐步降低。由此得出，飛行高度與模型精度呈反比。

控制點數量分別為3 個、6 個、9 個，三維模型精度誤差, 見圖5（a 為平面精度，b 為高程精度），當控制點數量為3 個時，不同飛行高度下（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、）構建的模型平面中誤差分別為0.048 m、0.049 m、0.054m、0.059 m、0.070 m、0.074 m，高程中誤差分別為0.030 m、0.033 m、0.039 m、0.052 m、0.073 m、0.102 m，當控制點數量為9 個時，不同飛行高度對應的平面中誤差分別為0.027 m、0.036 m、0.049 m、0.053 m、0.067 m、0.068 m。

圖5 控制點數量對模型精度的影響

3 結論

通實驗驗證了基于無人機傾斜攝影測量的三維模型精度滿足《平面精度規范》和《地形精度規范》中1：500 比例尺的精度要求，可用于大比例尺數字測繪成果的生成，對不同飛行高度和不同控制點模型進行了精度對比分析，驗證了基于無人機傾斜攝影測量的三維模型精度。并為實際工程應用中飛行高度選擇、控制點數量設置提供了一定的技術參考，進一步保障了傾斜攝影測量的可靠性和三維模型的精確性。