無人機傾斜攝影測量三維建模及其精度分析

湯昭輝 萬 燦

(重慶交通大學 智慧城市學院, 重慶 400074)

0 引言

攝影測量技術在攝影技術發展的歷史進程中經歷了三個主要階段,分別為模擬攝影測量階段、解析攝影測量階段以及數字攝影測量階段,并且目前已經全方位地進入了數字攝影測量階段[1]。傾斜攝影測量技術是將傳統的航拍技術融入數字地面采集技術,在航空飛機上安裝了多鏡頭相機或多種類型的感應器而構成的。此技術克服了傳統航空攝影測量技術只能從豎直方向角提取地面圖像的局限性,可以同時從豎直方向角和多個傾斜方向角得到影像數據,以達到獲取反映地面真實情況的目的[2]。

無人機航空攝影測量技術提供了一種快速、高效地生產4D產品的技術,并且在地圖測繪、城市建設、交通指揮、建筑物維修等方面扮演著積極的身份[3]。其中，4D指數字高程模型(digital elevation model,DEM)、數字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數字線劃地圖(digital line graphic,DLG)和數字柵格地圖(digital Raster graphic,DRG)。由于傾斜攝影測量法的出現較晚,因此沒有針對該模型精度的特定評估系統。然而,對傾斜攝影測量模型進行精度評價的同時也可以促進傾斜攝影測量技術的發展,這對將該技術應用于相關領域會更有幫助,因此要將重點放在建立三維模型的精度評價體系上[4]。

1 無人機低空航攝的主要流程

1.1 飛行準備

接受飛行任務,確定飛行實驗區域,首先進行控制點測量,即在實驗區均勻布設控制點,獲取控制點的坐標,然后在進行航線的規劃設計。

1.2 設置參數

根據實驗區數據所要求的條件,確定好航線、航高、飛行速度以及重疊度的參數[5]。

1.2.1選擇航高

根據影像的實際用途,聯合各種比例尺成圖的要求以及地面地形情況,再參考測圖比例尺精度,即測圖比例尺及其對應的地面分辨率選取相應的地面分辨率,最后根據式(1)得到航高[6]。

(1)

其中,H攝影航高;D為地表分辨率;f為物鏡焦距;i為相機像素尺寸。

1.2.2影像重疊度

根據相關規范,像片重疊應該滿足以下基本要求：航向重疊度在通常情況下應該為 60%～80%,但不得小于53%;旁向重疊度在通常情況下應該為 15%～60%,但不得小于8%。

1.2.3航線設計

按照測區尺寸大小,制定出無人機飛行航向和航線的長度,并且航線的數量不少于6條且為雙數,還有就是按照表達式計算攝影基線的長度,由式(2)、式(3)推算出航線間隔寬度[7-9]。

其中,Lx為實驗區實地航攝長度;Wx為航線旁向間距;Ix為幅長;Iy為幅寬;Cx為航線重疊度;Cy為旁向重疊度。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域

本次實驗采用了河北工程大學新校區部分場地為試驗區域。河北工程大學地處于河北省邯鄲市偏東部區域。校內有格式建筑,如教學樓、圖書館、宿舍園地等。本次實驗區的經緯度范圍為：114°35′34.44″E～114°35′50.68′E,36°39′23.36″N～36°39′37.01″N,南北方向長504.61 m,東西方向長506.74 m。

2.2 航攝數據

本研究采用河北工程大學新校區部分場地的影像,其航攝影像數據總共有332張,包括垂直影像數據和傾斜影像數據。為保證影像數據的完整性,飛行航攝的范圍要稍微大于實驗區域的范圍,試驗區域航攝的相關參數如表1所示。本次的影像數據大小為12.1 GB,經檢驗篩選,其質量過關。

表1 航攝技術相關參數

2.3 控制點數據

在試驗區布設并測量了12個像控點點,均勻分布在試驗區內,坐標系統為CGCS2000坐標系統。其中，6個為建模使用到的控制點,剩下的內部檢查點用于對模型精度的絕對精度進行評價。

3 研究方法

通過無人機傾斜攝影測量技術對河北工程大學新校區進行航攝,獲得相應的影像數據,利用Smart3D 進行實景三維模型的建立,得到試驗區的DOM、DEM、數字地表模型(digital surface model,DSM)以及三維點云;最后進行初步的精度評判或者某些獨特的設施進行理論上的精度評判,然后在試驗區選取特定檢測點,通過外業的實地測量得到待定點的坐標數據,從而評價實景三維模型的具體精度狀況,分析可能的影響因素[10-11]。具體技術路線如圖1所示。

注：①定位定姿系統(position and orientation system,POS);②不規則三角網(Triangulated Irregular Network,TIN)。圖1 技術路線

3.1 基于Smart3D構建三維模型

為保證后期建模成果的質量,建模前應注意航攝影像數據采光情況以及圖像畸變等問題[12]。利用Smart3D構建試驗區域的三維建模。

三維建模的成果可在Acute3D Viewer 界面進行瀏覽。經過匹配、內定向、約束平差、空中三角測量等生成三維實景模型如圖2所示。

圖2 三維模型生成

3.2 模型精度評價及分析

3.2.1相對精度

對于Smart3D構建出的三維模型,首先可以從相對精度上對模型進行分析[13]。相對精度分析即是通過對特征明顯的地物,如建筑物、跑道、走廊等,并用測距儀、全站儀等測繪儀器多次量測取平均值;然后打開模型并找到與實地測量相對應的地方,利用量測工具測出對照值;最后計算出模型量測值與實地測量值的偏差并分析結果。

使用毫米級測距儀和全站儀量取了試驗區內教學樓、樓道、道路的長度和高度,記錄下測量地點。為了確保精確度的準確性,距離量取是盡量使量取時的高差小于1 cm,如表2所示。

表2 相對精度對比分析 單位：m

從表2中可以看出模型長度誤差大為0.252 m,最小誤差為-0.023 m,相差了0.228 m,并且中誤差為0.237,其誤差都要低于0.3 m。其中第7組為建筑物間距測量,第3組和第4組為建筑物的高度測量,其余的為建筑物、道路、階梯、長度測量,從數據結果和測量方式來看,可以得到以下兩個結論：①第7組的誤差最大,測量的是建筑物之間的距離,叢圖高差有-12.37 cm,因此可能產生的原因是測量時的距離是斜距,而需要的是平距;②第3組和第4組誤差其次,測量的是建筑物的高度,因此可能產生的原因是模型生產時角點的偏差較大。剩下的誤差都比較小,精度較高。

綜上所述,在模型中進行量測時,應該盡量選擇高差相差不大、遮擋物較少的地方,并且選擇要選擇清晰的角點量取高度。

3.2.2絕對精度

建立三維模型很重要的方面是代替大比例尺測圖,為了解決本次所構建的三維模型是否能達到其要求的精度這個問題,以下將計算絕對精度[14]。

(1)平面精度：加載模型,并用內置工具測量待定檢測點的坐標,最后與實測控制點對比求得中誤差。查閱相關規范得到大比例尺測圖地物點平面相關精度要求。

控制點與模型待定點的坐標對照如表3所示,為了確保數據的保密性,控制點前三位數用*號表示。其中,X為控制點橫坐標;Y為控制點縱坐標;Z為控制點高程;X′為三維控制點橫坐標;Y′為三維控制點縱坐標;Δx為X與X′的差值;Δy為Y與Y′的差值;Δxy為平面誤差。

表3 平面點精度分析表 單位：m

從表3中可以得出結論,模型平面精度的情況為：該模型的X方向的中誤差為0.182 m,Y方向的中誤差為0.184 m;最大平面坐標誤差為0.430 m,最小平面坐標誤差為0.036 m,平面坐標中誤差為0.249 m小于0.25 m,其精度剛好滿足大比例尺測圖的精度要求。

(2)高程精度：同平面精度的評價方式相同,通過量測模型上的相應控制點的高程,在與實際控制點的高程對比計算出相應的誤差,最后進行分析評價。

控制點與模型待定點的坐標對照如表4所示。

表4 高程精度分析表 單位：m

從表4可知,該模型的高程誤差沒有明顯的規律性,且正負偏差的個數都相差一致。其最大誤差為-0.231 m,最小誤差為-0.011 m。查閱地形圖的高程精度要求可知,高程中誤差為±0.142 m,小于大比例尺測圖規定的0.5 m的1/3,即0.17 m,滿足大比例尺的精度要求。

3.2.3房屋角點精度

為研究模型房角點的坐標精度是否滿足大比例尺測圖的規范要求以及宅基地的精度[13],在模型上量測并驗證了9個角點坐標。通過全站儀實地測量相應角點坐標,與模型坐標對比計算分析其誤差,得到如表5所示的結果。

表5 建筑物角點誤差 單位：m

從表5可看出，X方向上的中誤差為0.154 m,Y方向上的中誤差為0.130 m,坐標中誤差為0.201 m。對于1∶500比例尺的數字測圖來說,其精度只有Y方向上的中誤差小于0.15 m,滿足精度要求,另外兩個都大于0.15 m,但與相差的不是很大。因此產生此結果的原因可能是如上文提到的角點模型生產時角點的偏差較大。

3.2.4結果分析

從以上的精度結果中可以看出,三維模型的誤差沒有特定的規律,但分布范圍相對均衡。其中，相對精度中的長度和高度誤差都小于0.3 m,且分析出幾點產生誤差較高的原因;平面坐標中誤差,高程中誤差為±0.142 m，小于大比例尺測圖規定得0.5的1/3,即0.17,都滿足《三維地理信息模型數據產品規范》的規定;房屋角點誤差要高于1∶500比例尺的數字測圖相關規范的精度要求,但相差都不大。

4 結束語

隨著傾斜攝影測量技術的發展,盡管目前的一些算法有較好的匹配效果,精度也能滿足小比例尺的測量,但是這還不能滿足高精度產品的要求,并且匹配的速度也比較慢。因此接下來需要研究出更高精度、高效率的影像匹配算法來彌補上述的不足。傾斜攝影測量是近幾年才發展起來的新興技術,相應的精度評價系統還不夠完善,則今后需要找到以更加高效、精確的評價因子,研究出一些更加科學、嚴謹的評價模型。