消費級無人機傾斜攝影測量監測棄土場的精度評估

胡晉茹,賴林楓,蘆治源,張曉峰,李 元,趙廷寧,魏廣闊

(1.交通運輸部科學研究院,北京 100029; 2.交科院科技集團有限公司,北京 100088;3.北京林業大學水土保持學院,北京 100083)

棄土(渣)場是生產建設項目產生的松散堆積體,對其開展監測是預防和治理水土流失的基礎,是國家生態文明建設的重要基礎支撐[1]。

近年來,無人機低空攝影測量技術快速發展,并在測繪地理信息、應急保障、農業、水利、電力、交通等民用領域得到廣泛應用[2-4]。無人機攝影測量以其便捷靈活、快速高效的優勢在棄土(渣)場監測中發揮著重要作用[5]。無人機通過搭載傳感器快速而準確地獲取高分辨率的影像,結合地面合理分布的像控點,運用計算機手段提取地物觀測對象空間立體信息,如坡度、坡長、高程、位置、外觀特征等[6]。傾斜攝影測量作為一種新興的測量技術方法正在快速發展與推廣[7]。與傳統的豎直航空攝影測量技術不同,傾斜攝影測量不僅從豎直方向拍攝,而且通過調整鏡頭的方向以傾斜的方式進行多角度攝影,采集更豐富的紋理信息,對地物信息表達更詳盡,在三維建模和測繪生產中展現出更加精細、準確的潛力[8-10]。但搭載多鏡頭的傾斜攝影測量無人機價格昂貴,因此基于消費級無人機的傾斜攝影測量技術應運而生[11-12]。消費級無人機具有低價格、易操作、無須證照和申請空域等優勢[13],其搭載的單鏡頭可通過云臺調整鏡頭俯仰角模擬多鏡頭無人機進行傾斜攝影測量[14],從而構建實景三維模型,在滿足精度的要求下,提高了效率并降低了經濟與技術門檻。

目前針對消費級無人機攝影測量的精度分析研究主要有:文獻[15]利用小型消費級無人機進行正射低空攝影測量,發現垂直方向的平均誤差是水平方向的8倍;文獻[16]基于消費級無人機通過搭載傾斜相機進行攝影測量,構建了城市精細化的三維模型,利用檢查點進行幾何精度評估,其中平面中誤差、高程中誤差均滿足《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中的Ⅰ級1∶500成圖比例尺測圖精度;文獻[17]基于消費級無人機傾斜攝影測量構建了精細三維模型并測算了研究區的土方量,與GNSS法對比具有可靠的精度。但是,2021年自然資源部發布了最新的《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/T 3003—2021)[18],其中對攝影測量的精度有更高要求。現有對消費級無人機攝影測量精度是否能滿足最新規范要求的研究較少。本文以公路建設項目產生的棄土場為對象,評估其在監測過程中應用消費級無人機傾斜攝影測量的精度,并與傳統正射攝影測量方式進行對比分析,為實際生產建設活動快速監測提供參考。

1 試驗與方法

1.1 消費級無人機傾斜攝影測量原理

基于消費級無人機傾斜攝影測量的原理與專業傾斜航攝無人機相同[8,13-14],通過可旋轉俯仰角的云臺搭載單鏡頭模擬多鏡頭傾斜航攝儀。首先垂直于地面采集正射影像,以井字飛行方式從前、后、左、右4個方向與地面形成相同角度獲取斜片;然后對采集的影像通過尺度不變特征變換(SIFT)匹配算法進行多視影像匹配提取特征點,采用光束法區域網平差嚴密解完成空中三角測量解算地面坐標,即基于共線方程與空間后方交會原理配合無人機獲取數據中的位置和姿態系統(position and orientation,POS)數據,求出影像外方位元素和加密點物方坐標[17,19],公式為

(1)

式中,(XA,YA,ZA)為地物點坐標;(XS,YS,ZS)為攝影中心在地面輔助坐標系下的地物點坐標;f為焦距;λ為比例因子;ai、bi、ci(i=1,2,3)為影像的3個外方位角元素組成的9個方向余弦; (x,y)為像點的像平面坐標。

對航測區域內所有影像聯合為統一的平差區域,從而構建特征點云,基于引入RTK測量得到的高精度地面像控點,消減POS數據誤差使得特征點云精度較高,從而提高空中三角測量解算的精度。基于空中三角測量特征點云成果進行多視影像密集匹配生成超高密度點云,進一步構建三維模型。

1.2 試驗區概況

試驗區為湖南省邵陽縣白倉至新寧縣清江橋公路項目樁號K1+300(1#)、K10+600(2#)兩處棄土場,如圖1所示。原始地貌類型為低山丘陵間溝谷地貌。1#棄土場為坡地形,總占地面積為20 680 m2,場內高程為295～310 m,總體地勢較為平緩,西南處略陡。2#棄土場為溝道形,總占地面積為14 653.3 m2,場內高程為248～276 m,總體地勢復雜,由北至南高程逐漸降低,呈九級臺階地形分布。

圖1 研究區衛星影像

1.3 試驗設備與軟件工具

采用DJI Phantom 4Pro消費級四旋翼無人機獲取航圖,該無人機集飛行平臺、動力系統、控制系統、云臺相機于一體,配有遙控器與飛控軟件。其相機為FC6310單鏡頭,采用1英寸CMOS影像傳感器(1 inch=2.54 cm),有效像素為2000萬,鏡頭焦距為8.8 mm/24 mm(35 mm格式等效),云臺可控俯仰角范圍為-90°～+30°,控制精度為±0.02°,能夠在飛行中拍攝穩定的圖像。

通過上海華測導航X9 RTK測量系統測量地面像控點的三維坐標,使用CORS模式時平面定位精度為8 mm+1×10-6D,高程定位精度為15 mm+1×10-6D,D為基站距離。使用與無人機POS數據相同的WGS-84坐標系。

棄土場三維模型的構建采用Metashape軟件(原Photoscan),該軟件基于最新的運動恢復結構——多視圖立體匹配(SfM-MVS)算法,對未經畸變校正的影像和控制點進行特征點提取與匹配、空中三角測量,自動化地完成相機參數解算與三維模型重建。

1.4 無人機航測方案設計

根據《低空數字航攝與處理規范》(GB/T 39612—2020)[20]中對航攝影像分辨率及航線重疊度的相關要求,綜合考慮地形條件、飛行效率,設置飛行高度相對測區最低點為100 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%。根據前人的經驗[19],單鏡頭無人機傾斜攝影規劃5次航線,航線1云臺垂直正射采集正射影像,依次航線2、3、4、5調節云臺俯仰角為-45°,分別從東、南、西、北方向采集傾斜航片。在棄土場內均勻布設地面標志作為像控點,根據無人機航測的最優控制點方案[21]選取四周和區域中心的6個像控點作為控制點參與空三解算,其他像控點作為精度評估的檢查點使用。各棄土場具體航測方案見表1。

表1 棄土場航測方案

1.5 精度評價指標

目前,通常以像控點的誤差作為航空攝影測量的評價指標。具體而言,基于航空攝影測量成果,識別出各像控點并提取其三維坐標,以RTK測量系統測量的三維坐標為真值,對比分析得到各像控點在X、Y、Z方向的誤差,計算平面和高程的均方根誤差(RMSE)作為整體精度的評價指標。根據《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/T 3003—2021)[1]1∶500比例成圖中規定的誤差標準評價消費級無人機航空攝影測量的精度。計算公式為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,Xi、Yi、Zi為第i個像控點的三維坐標;(XRTKi,YRTKi,ZRTKi)為RTK測量系統測量得到的第i個像控點的三維坐標;RMSEX,RMSEY、RMSEZ、RMSEH分別為X、Y、Z及高程的均方根誤差;n為像控點個數。

2 結果與分析

2.1 航測整體精度分析與評估

首先統計兩個棄土場兩種攝影測量方式下控制點和檢查點在X(經度)、Y(緯度)、Z(高程)方向的誤差,生成各個方向上的誤差箱線(如圖2所示),對各攝影測量整體的精度進行分析。由圖2(a)—(b)可知:①1#棄土場分別通過正射和傾斜攝影進行空中三角測量時,檢查點與控制點在X、Y方向上的誤差分布范圍小且無較大差異;②在Z方向上,正射航測的檢查點比控制點誤差分布范圍顯著較寬,傾斜航測的檢查點誤差分布范圍顯著降低,略大于控制點的誤差分布范圍。這說明在1#棄土場中,傾斜航測相較于正射在平面位置的精度基本接近,而在高程上前者具有較高的精度提升。

圖2 各航測方式中控制點和檢查點在X、Y、Z方向上誤差的箱線

由圖2(c)—(d)可知:①2#棄土場在正射航測時,檢查點X方向上的誤差分布范圍在控制點X方向上的誤差分布范圍之內,而檢查點和控制點在Y、Z方向上的誤差分布范圍均較廣且具有差異。②2#棄土場在傾斜航測時,檢查點與控制點在X、Y、Z方向上的誤差分布范圍均較小且無明顯差異。這說明在2#棄土場中,正射攝影測量在平面位置和高程位置上的精度較低,而傾斜攝影測量成果精度能顯著改善。根據《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/T 3003—2021)[1]1∶500比例成圖規定,以控制點合格數量和檢查點均方根誤差對各航測成果整體精度進行評估,結果見表2。

表2 各航測方式整體精度評估

2#棄土場正射攝影測量的整體精度最低,其6個控制點中有1個不符合精度要求,檢查點平面位置的均方根誤差為11.1 cm,高程的均方根誤差為36.5 cm,超出了0.28 m的規定;其他航測成果的精度均符合規定的要求,2#棄土場傾斜攝影測量的整體精度最高,檢查點平面位置和高程的均方根誤差在5 cm內,相較于正射,檢查點平面位置均方根誤差低76.70%,高程均方根誤差低90.68%。1#棄土場正射攝影測量的檢查點平面位置均方根誤差為6.1 cm,高程均方根誤差為18.4 cm,而傾斜攝影測量的檢查點平面位置和高程的均方根誤差分布分別為4.6和7.4 cm,相較于正射,分別低25.19%和59.82%。與1#棄土場相比,2#棄土場正射航測的檢查點平面位置和高程的均方根誤差分別高82.31%和98.06%,傾斜航測的平面位置和高程的均方根誤差分別低43.21%和54.03%。

因此,傾斜攝影相比于正射攝影整體在平面和高程上具有不同程度的精度優勢,在高程上更為明顯;2#棄土場相較于1#具有更復雜的地形條件,對正射攝影測量整體精度影響顯著。

2.2 檢查點精度分析與評估

為進一步分析各航測成果的精度,對各成果內檢查點的坐標與RTK實測坐標進行對比,得到各航測成果檢查點的殘差,如圖3—圖5所示。

圖3 各航測成果檢查點誤差

圖4 各航測成果檢查點平面與高程誤差

圖5 各航測成果檢查點X與Y方向誤差

2#棄土場傾斜航測的各檢查點誤差集中分布在坐標原點,1#棄土場傾斜航測次之;而2#棄土場正射航測的各檢查點誤差分散在外圍,1#棄土場正射航測的檢查點誤差分布在外圍的較少;正射攝影測量的檢查點在高程上的誤差要顯著大于平面的誤差。

根據《低空數字航空攝影測量內業規范》(CH/T 3003—2021)[1]1∶500比例成圖規定,以平面和高程誤差的范圍和合格率對各航測方式檢查點的精度進行評估,結果見表3。

表3 各航測方式檢查點精度評估 (%)

在平面誤差方面:各棄土場空中三角測量后檢查點平面誤差均符合規定的要求,1#棄土場通過正射攝影測量后平面誤差在10 cm以下的檢查點占94.12%,大于10 cm的占5.88%(僅1個),通過傾斜攝影測量后的檢查點平面誤差均小于10 cm;2#棄土場通過正射攝影測量的平面誤差在10 cm以下的檢查點占53.33%,大于10 cm的占46.67%,通過傾斜攝影測量后檢查點平面誤差均小于10 cm。

在高程誤差方面:1#棄土場通過正射攝影測量后高程誤差符合規定的檢查點占94.12%,小于10 cm的占52.94%,大于10 cm的占47.06%,通過傾斜攝影測量的檢查點高程誤差均符合規定的要求,小于10 cm的檢查點占70.59%,大于10 cm的占29.41%;2#棄土場通過正射攝影測量后高程誤差符合規定的檢查點僅占60.00%,小于10 cm的檢查點占33.33%,大于10 cm的占66.67%,通過傾斜攝影測量的檢查點高程誤差均符合規定的要求,小于10 cm的檢查點占93.33%,大于10 cm的占6.67%(僅1個)。

因此,各航測成果的檢查點誤差在高程位置要大于平面位置,這一差異在正射攝影測量中更為明顯;傾斜攝影測量的檢查點平面與高程精度均高于正射攝影測量,平面精度可由分米級小幅度提升至厘米級,高程精度大幅度提升至厘米級;復雜地形區域對正射攝影測量的檢查點精度影響顯著,在高程方面更為明顯。

2.3 三維模型構建

對各棄土場空中三角測量加密解算生成的特征點云成果通過多視圖立體匹配 (MVS)算法構建三維模型,如圖6所示。由正射攝影測量構建的三維模型在地形起伏區域噪聲點較多,甚至出現輕微扭曲、形變的情況(如圖6(a)和(c)所示),而由傾斜攝影測量構建的三維模型則沒有出現上述情況(如圖6(b)和(d)所示)。對各棄土場空中三角測量提取的特征點進行分析(如圖6(c)、(d)、(g)、(h)所示)可知,通過正射攝影三維重建提取的特征點較稀疏,1#和2#棄土場特征點密度分別為5.01和6.29個/m2;而通過傾斜攝影三維重建時特征點數量能顯著提升,1#和2#棄土場特征點密度分別為24.19和27.32個/m2。由此可知,在棄土場這種紋理單一、重復的地形條件下,通過正射空三加密解算后匹配的點云數量,不足以對棄土場的地形精確而細致的表達,這導致三維模型出現較多噪聲點甚至扭曲、形變。傾斜攝影從豎直、傾斜等5個角度采集地物信息,因此可以提取足夠的特征點,使匹配的密集點云對地形進行詳盡的表達。

圖6 各三維模型對比

3 結 論

本文量化分析了消費級無人機在不同棄土場應用正射和傾斜兩種攝影測量模式,以及根據攝影測量成果重建三維模型,結論如下:

(1)在丘陵地區,無論是正射模式還是傾斜模式,消費級無人機攝影測量成果的高程精度要低于平面的精度。正射攝影測量成果的精度受地形條件影響顯著,地形復雜、落差較大區域的精度不能滿足《低空數字航空攝影測量內業規范》中1∶500比例的成圖精度要求。

(2)傾斜攝影能夠消減地形條件對測量成果的影響,相比于正射影像具有更高的精度優勢,使平面精度由分米級小幅度提升至厘米級,高程精度大幅度提升至厘米級,完全符合《低空數字航空攝影測量內業規范》中1∶500比例的成圖精度要求。

(3)消費級無人機傾斜攝影測量從五個角度采集地物信息,構建三維模型時提取特征點數量顯著提升,能對棄土場地形進行精確而細致的表達。

本文數據采集及內業處理耗時2 d,所用無人機系統價格約在萬元;消費級無人機進行傾斜攝影測量能節省大量成本、降低工作門檻,試驗評估了其在丘陵地區進行1∶500比例成圖測量精度的可靠性,為公路建設項目棄土場快速監測提供參考。