無人機航測像控點布設方式對實景三維模型成果精度的影響研究

黃維

摘要：無人機航空攝影測量技術是一種快速有效的測繪手段，像控點的布設方式是影響測區實景三維模型精確度的重要影響因素。文章以長沙職業技術學院校園為研究區域，設置不同數量及分布的像控點布設對比方案，以大疆無人機航拍獲取的校園影像作為數據源，采用對比分析的研究方法設計周邊布設、中心布設、均勻布設及無布設4種像控點布設方案，試驗方案的變量為像控點的分布情況，通過實景建模軟件Context Capture處理外業采集的數據，比較模型空三加密點精度、檢查點精度、幾何精度，分析無人機地面像控點的不同布設方式對實景三維模型建模精度的影響，探討滿足規范精度要求的像控點優化布設方式。

關鍵詞：無人機航測；像控點布設；實景三維模型；精度分析

中圖分類號：P258 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0080-04

0 引言

在無人機技術和數字攝影技術快速發展的背景下，具有測速效率高、實景表現效果直接等優勢的無人機航空攝影測量技術發展迅速，被廣泛應用于國土測繪、選線設計、環境監測、應急救災等眾多領域［1］。無人機航空攝影測量技術應用中，像控點的布設方式和數據處理是影響無人機航空攝影效率及成果精度的關鍵因素［2］，會從模型成果數據的信度、準度和可用性3個方面對測繪過程的作業效率、生產成本、勞動強度等產生直接影響。

本文以長沙職業技術學院校園為研究區域，航測數據來源為大疆無人機拍攝的校園影像。采用對比分析的研究方法設置不同的實驗方案，試驗方案的變量為像控點的分布情況，基于實景建模軟件Context Capture配合傾斜攝影測量方法完成實景三維建模工作，并通過軟件處理外業采集的數據，比較模型空三加密點精度、檢查點精度和幾何精度，分析無人機地面像控點的不同布設方式對實景三維模型建模精度的影響機制，探討滿足規范精度要求的像控點優化布設方式，驗證可視化三維實景模型的可行性及精度的可靠性，為智慧城市、智慧校園建設提供關鍵技術保障。

1 外業航攝數據采集

1.1 測區概況

測區位于湖南省長沙市湘江新區，地理坐標大致為北緯28°12′53.3″，東經122°50′24.3″，面積約0.3 km2，南北方向約0.45 km，東西走向約0.65 km，高程為52 m左右。地區屬于亞熱帶大陸性季風氣候，冬寒夏熱，四季分明，春秋短促，冬夏綿長。校區基本地形為西高東低，地勢開闊，無高大建筑，適合無人機航測數據的采集。

1.2 航拍參數

航拍設備采用“大疆”精靈4 PRO航拍無人機搭配高清相機，無人機三擋飛行模式可以應對不同場景的航拍，運動模式下的飛行速度達到72 km/h，滿足高速航拍的要求。機身前、后方及底部均配置視覺傳感器，機身左右兩側配置紅外傳感器，五向環境感知功能可大幅提升飛行安全性，OcuSync 2.0 系統可實現10 km圖像傳輸。搭配的廣角鏡頭由7組8片全玻璃鏡片組成，具備出色的解析力，可以呈現細節豐富的成像效果，具有2 000萬像素的CMOS（金屬氧化物）影像傳感器和12 800的感光器，在暗光拍攝下可展現更多細節；搭載的高性能影像處理器支持H.265編碼格式，可以拍攝分辨率為4 000、幀數為60的視頻。航測飛行一共6次，完成高重疊度航拍，同一航線上相鄰相片的縱向重疊率設置為80%，橫向重疊率設置為65%，相對飛行高度為60 m，地面分辨率為1 cm，飛行時間為120 min，獲取照片2 474張。

2 像控點布設優化方案及實踐

2.1 布設要求

像控點的布設方式與數量直接決定后續成果的精度，并影響成果真實的地理坐標［3］。在選取和布置像控點時，要遵守一些基本的規則，考慮地形情況、拍攝數據及信息處理方式等影響因素，像控點的布置要求具體如下。

（1）像控點通常選擇比較鋒利的特征點，例如斑馬線角點、道路引導箭頭頂點，盡可能選在固定、平坦、清晰、易于辨識的地方，避開樹木和房屋角落等易受阻礙的地方。

（2）手動標記像控點的大小要超過70 cm，可以用紅漆進行噴涂標記，圖案要有一定的邊角，方便內業技術人員清楚地看到定位部位。

（3）附上2～4張實況照片表示像控點所處的定位，其中要求有一幅近距離定位圖和一幅周圍環境定位圖。盡可能設置一個地面標記或選取一個容易識別的顯著靶點，提升圖像控制的準確性和可靠性。

（4）像控點布置完后，做好草圖筆記，以便內業技術人員進行控制點刺點工作。

2.2 像控點布設方案設計

本文測區整體形態為較規則的長方形，依據像控點布設要求，綜合考慮測區的面積、地形地貌、建筑密度等因素，設計布設方式。進行野外布點，通過實地勘測，選擇清晰可辨的地物特征點作為控制點，控制點均為平高控制點，數量總共36個，其中像控點為20個，檢查點為16個，用符號Pt表示。通過網絡RTK（實時動態）技術測量控制點坐標，為保證CORS （跨域資源共享）系統的穩定性，采用“合眾思壯” RTK UFO U5連接CORS 系統，對校園外的3個E級GPS控制點進行動態定位測試和復核，然后精確測量36個控制點的平面坐標和高程，將實測數據作為真值用于數據對比。

在內業處理時，設計4種像控點布設方案（布設參數見表1，像控點分布情況如圖1所示），分別進行刺點和空三加密平差處理。方案1 采用周邊布控的方式布設10個像控點，像控點均在測區邊界線相近的位置，相鄰的點依次串聯構成的面盡可能覆蓋整個測區。方案2相較方案1，像控點數量相同，但位置分布在測區中部區域，采用的是中心布控的方式。方案3布設的10個像控點位置則結合了周邊布控和中心布控2種方式，在邊緣布設的同時，還在測區中部增設少量的點，像控點均勻布控在整個測區中。方案4未布設像控點，以無像控點方案作為初始的對照數據，與不同像控點布設方式下空三加密的結果進行點位精度對比分析，并與不同像控點布設方式下三維模型中的幾何長度進行長度檢查分析。

2.3 空中三角測量

空中三角測量是無人機傾斜攝影后期數據處理的關鍵步驟，其結構精度直接作用于后續數據處理成果［4］。本文空三處理采用實景建模軟件Context Capture，將航測拍攝的相片分組添加到軟件，設置選項為圖像坐標選擇“WGS84經緯度坐標系”、地理定位精度選擇“標準”、選擇“POS文件”、選擇“軟件自動識別相機型號”；選擇輸出的坐標系與控制點坐標系應一致。根據4種不同的像控點布設方案分別導入相應的像控點成果數據，手動操作在圖片中找到像控點的準確位置并進行標記；依次完成刺點工作，再次進行空三加密獲得準確的影像外方位數據；空三完成后點擊空間框架，在提交生產項目目標選項中選擇“參考三維模型”，提交新的生產項目并選擇“正射影像”。結合影像POS（Position Orientation System）數據對長沙職業技術學院校區建筑群進行空中三角測量和三維重建，以方案3為示范，由實景建模軟件Context Capture生成空中三角測量結果（如圖2所示），三維模型瓦片合并（如圖3所示），三維重建的整體實景三維模型（如圖4所示）。

3 模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

利用網絡RTK技術精確測量16個野外檢查點的3個方向的坐標真值（x、y、z，單位為mm），與4種布設方案的檢查點空三解算坐標值（x'、y'、z'，mm）進行對比，分別計算坐標真中誤差Δx、Δy、Δz，利用公式（1）計算4種方案設計的檢查點的平均平面坐標中誤差和高程中誤差，得到各方案檢查點的統計結果（見表2），在此基礎上依據點位精度數據，分析不同像控點布設方案對空中三角測量精度的影響。

依據我國測繪行業標準《三維地理信息模型數據產品規范》，1∶500成圖比例模型的要求是平面精度為0.3 m，高程精度為0.5 m，本文設計的4種像控點布設方案獲取的航測數據構建模型，均滿足規范中對于I級產品的精度要求。

表2中的數據顯示像控點布設方式對實景三維模型的精度有明顯的差異性影響。方案1采用的是測區周邊布設像控點的方式，平面中誤差為0.060 2 m，高程中誤差為0.055 8 m，因為研究區域整體形態為長方形且地勢平坦、地形變化較小，所以模型精度較高。方案2構建的實景模型精度較低，平面中誤差和高程中誤差分別為0.085 0 m和0.065 4 m，由于測區面積較小，中心布置的像控點能基本覆蓋研究區域，因此構建的模型精度也能夠滿足基本要求。方案3將像控點均勻布置在測區內，較好地模擬了場地的地形地勢特征，構建的實景三維模型平面中誤差為0.028 8 m，高程中誤差為0.023 7 m，相比其他3種方案模型精度最高。方案4沒有布置像控點，平面精度和高程精度最低。4組像控點布置方案的模型精度由高到低依次為方案3、方案1、方案2、方案4。

3.2 幾何精度分析

在點位精度檢核的基礎上，分析研究區域實景三維模型的幾何精度。以研究不同像控點布設方案對模型幾何精度的影響為目標，以線段的形式，實地量測測區內的建筑或道路的長度，評定測區實景三維模型的幾何精度。

為綜合評定實景三維模型的幾何精度，按長度差異選擇了6段不同方向的建筑連線，前3段（L1-L3）為長線段，對應的實地量測長度分別為110.025 m、120.101 m、80.025 m；后3段（L4-L6）為短線段，實地量測長度分別為30.011 m、18.015 m、6.005 m。將測區內的實地量測結果與實景三維模型上的長度數據進行對比分析，得到模型的幾何精度情況見表3。

數據顯示，4種像控點布設方案構建模型的幾何精度都滿足規范要求，相對精度數值基本達到99.6％以上，并且短線段幾何長度的精度明顯低于長線段，幾何精度最高的實景模型是方案3。因此，為使實景三維模型更貼近測區內建筑真值，布設像控點時，在滿足測區邊緣形態的要求的基礎上，可在中心區域均勻地增加像控點，能在一定程度上相對提高模型的幾何精度，并且像控點布設方式對模型幾何精度的影響在較短的建筑連線中更顯著。

4 結語

本文以長沙職業技術學院校園為研究區域，分別采用周邊布設、中心布設、均勻布設及無布設4種方式設計像控點布設方案，依據無人機航測影像數據構建實景三維模型，對比分析模型的檢查點平面及高差精度、建筑連線幾何精度。分析結果顯示，像控點布設方式對模型幾何精度的影響在較短的建筑連線中更顯著；相較單純的周邊布設和中心布設2種像控點布設方案，將2種布設方式結合的方案最合理，即在邊緣布設的同時，在測區中部均勻布置少量像控點，可有效提高模型精度。在實際工程項目中，運用無人機航測構建實景三維模型的工作量普遍較大，應根據測區形態特征、地形地勢、建筑分布等實際情況，充分考慮像控點布設方式對檢查點精度和幾何精度的影響，在滿足規范和應用要求的情況下，優化像控點布設方案，按需布置像控點，最終達到降低建模成本，提高工作效率的目的。

5 參考文獻

［1］周呂，李青遜，權菲，等.基于無人機傾斜攝影測量三維建模及精度評價［J］.水力發電，2020，46（4）：41-45，50.

［2］劉俊楠，劉海硯，陳曉慧，等.測繪領域研究熱點可視化分析［J］.科學技術與工程，2019，19（32）：43-51.

［3］桑文剛，李娜，韓峰，等.小區域消費級無人機傾斜攝影像控點布設及建模精度研究［J］.測繪通報，2019（10）：93-96.

［4］王丙濤，王繼.基于傾斜攝影技術的三維建模生產與質量分析［J］.城市勘測，2015（5）：80-82，85.