像控后處理傾斜攝影三維建模方法研究

摘要無人機傾斜攝影三維模型的精度是衡量模型質量好壞的重要指標.常規的傾斜攝影三維建模需要先布設像控點，作業效率低且維護成本高.無像控建模不需要布設像控點，航測效率高，但精度較低.本文以南京信息工程大學東苑為實驗區，研究了一種像控后處理傾斜攝影三維建模方法.結果表明：1）基于像控后處理建立的三維模型與常規方法建立的三維模型精度基本相同，平面中誤差、高程中誤差均小于0.05 m，滿足高效率、高精度、低成本的建模要求；2）像控后處理建模避免了制作和維護像控點的過程，同時基于已有高精度三維模型選擇像控點并提取坐標，提升了像控點選擇的科學性并降低了外業測點的工作量；3）該方法在城市、鄉鎮及其他道路豐富地區高精度三維實景模型定期更新上具有較好的普適性.

關鍵詞 傾斜攝影；像控點；三維實景模型；像控后處理；精度

中圖分類號P231 文獻標志碼A

0 引言

近年來，傾斜攝影測量技術快速發展[1]，利用無人機進行三維實景模型構建技術已經被廣泛應用在數字城市[2]、道路工程[3]、地籍調查[4]等領域.常規的無人機傾斜攝影三維建模在外業航攝獲取影像前需要先布設像控點標識，但像控點布設成本高、耗時長，布設好的點位易受外界干擾而出現磨損、移動和遮擋，尤其是在城市建筑物密集、地形環境復雜等地區，像控點的布設非常困難.因此，基于免像控方式構建三維模型的方法被提出并進行探討.文獻[5-6]采用天狼星無人機航攝系統實現免像控模型的構建，此系統對硬件設備精度要求高且價格昂貴；文獻[7-8]通過改正相機曝光時的延遲與全球定位系統（GPS）相位中心的位置誤差提出免像控方法，提高POS數據的精度輔助空三測量實現免像控三維模型建立；文獻[9]根據不同距離的網絡通信技術（CORS）站作出方案搭配，解算出平差優化的高精度POS數據進行免像控模型的構建，但增加了內業數據處理的計算量和難度.總體來講，免像控對航攝設備或算法提出極高要求，同時在滿足諸如1∶500測圖、房地一體確權等高精度測圖應用中，所建立的三維模型仍存在一些需要解決的問題.

文獻[10]通過研究像控點的布設數量及方式對傾斜攝影三維模型精度的影響，指出像控點的布設方式和數量影響著模型的精度；文獻[11]通過像控點刺點相片的選取分析傾斜攝影三維模型的精度，指出刺點于5個鏡頭的影像時模型精度效果最佳；文獻[12]通過探究非規則實驗區3種不同方式的像控點布設方法對模型精度的影響，指出像控點位置選擇理想時增加像控點數量模型精度的改善效果不明顯.以上方法都需要事先在研究區范圍內布設像控點，然后航攝獲取影像和完成三維實景模型的構建.像控點只能從參考地圖預測點位的布設范圍內選取，不能科學有效地確定點位布設的精確位置，而點位的不確定性給外業布點工作帶來很大的挑戰.此外，點位布設與航飛獲取的影像數據存在時間差，外業的不可控因素會導致點位遭到破壞，影響內業像控點選刺時的使用情況.通過返測、補測等維護工作重新布設采集導致建模效率低，二次布設的像控點標記未被無人機拍攝無法在內業數據處理中被使用，缺失的像控點數據會影響模型構建的精度.

由于傾斜攝影和三維實景模型的廣泛使用，對于三維實景模型更新等問題，像控后處理傾斜攝影三維建模既能避免無像控處理的設備和算力需求，也不需要按照傳統傾斜攝影建模方法進行像控點布設，從而節省人力、物力和生產時間.本文以南京信息工程大學東苑為實驗區，針對無像控三維模型精度低的問題，不需要返工航飛和測點，利用該區域已有的高精度三維實景模型進行取點，并對特征控制點數量和位置的不同而構建模型的精度差異進行對比，探究采用像控后處理方式完成傾斜攝影三維模型精度提升的最佳可行性方案.

1 試驗數據準備和像控后處理三維建模技術

1.1 實驗區介紹

本文實驗區為南京信息工程大學東苑（118.72°E、32.20°N），平原地形，面積約0.4 km2.通過大疆M210多旋翼無人機搭載賽爾101S五鏡頭相機獲取多視傾斜影像數據.設定無人機絕對飛行高度約96 m，地面分辨率小于1.5 cm，規劃航線的航向重疊度為80%，旁向重疊度為80%（表1），航攝共獲取12 066張影像.

1.2 像控后處理三維模型構建技術

像控后處理傾斜攝影三維模型構建，就是針對無像控傾斜攝影三維模型精度低的問題，在構建好的無像控三維模型中選取地面特征明確、位置合適的點作為像控點.同時在已有的高精度三維實景模型上測取像控點坐標，將采集的像控點坐標刺入到無像控模式航測所獲取的原始相片中，按照常規傾斜攝影三維模型構建方法再次進行實驗區三維模型的構建.

本文采用傾斜攝影+POS數據在內業處理中進行空中三角測量處理.先構建無像控的三維模型，然后在已有同區域高精度三維實景模型中選取和采集控制點，獲取坐標參數，對無像控三維模型進行刺點和模型構建，最終對實驗區的3種模型——已有的高精度三維實景模型、無像控三維實景模型、基于參考真值模型提點方式的像控后處理模型進行模型點位精度對比與分析.關鍵步驟如圖1所示.

2 無像控、常規帶控和像控后處理模型構建及點位選擇

2.1 無像控三維模型構建

由于采用無像控無人機傾斜攝影測量技術，在利用ContextCapture Center軟件進行三維建模時省去了刺點工作，直接導入航飛影像數據，設置傳感器的尺寸和焦距，并檢查影像文件的完整性.然后提交空中三角測量，空三完成后點擊新建重建項目，并在空間框架中進行塊的數量設置和提交新的生產項目，最終生成OSGB格式的三維實景模型.

無人機在不同航線航飛過程中，因受到飛行時間、外界環境等影響，飛行平臺傾斜角、旋轉角以及傳感器獲取的信息存在誤差，相片瞬時姿態和定位信息不精確，致使對于不同航線間的重疊區域，不同架次無人機航攝所獲得的相片的瞬時姿態不同，從而導致無像控三維模型出現分層、扭曲以及拉伸錯位等現象，如圖2a所示.常規的處理方法是在重疊區域內通過沿航線布設像控點，從而保證三維模型精度.本文通過反復試驗，以某一完整的單架次為主體，在保證相鄰航線間的旁向重疊率滿足已設計的75%條件下，刪除與之重疊的其他航線影像數據，然后構建無像控三維模型.圖2b結果顯示，該方法能夠有效消除模型中的分層、扭曲以及拉伸錯位等現象.

2.2 常規帶控和像控后處理三維建模像控點的選取

根據建模方法的差異，目前廣泛應用的有兩種像控點采集方式（方式1、方式2），本文像控后處理構建高精度三維實景模型是第3種方式（方式3）.

方式1：常規布測方式，即航攝前制作像控點標志和布設像控點，同時外業實測采集像控點的坐標數據，如圖3a所示.

方式2：通過外業實測采集像控點坐標的像控后處理模式方式，簡稱后處理實測方式，即在無像控模型上選擇標志顯著、易于外業識別、位置科學合理的點作為像控點，并通過外業實測方式采集這些點的坐標信息，如圖3b所示.

方式3：通過已有高精度三維實景模型采集像控點坐標的像控后處理模式方式，簡稱后處理模測方式，即該樣區如果已經建設有全部或局部的高精度三維實景模型，此時可在無像控模型上選擇標志顯著、易于在已有三維實景模型中識別、位置科學合理的點作為像控點，并從已有高精度三維實景模型中采集這些點的坐標信息，如圖3c所示.

常規布測方式（方式1）在實驗區視野開拓的位置通過布設標識方布或者繪制點位標志確定點位的地理位置，然后選用高精度測量儀器采集像控點坐標信息.

后處理實測方式（方式2）結合實驗區地物分布的實際地理位置，在無像控模型中選取地物特征點，例如道路中心線、瓷磚樣式分界線以及地面指示標記等具有明顯幾何特征的地物.基于無像控模型能夠清晰地看到預選特征點的位置和幾何信息，無需進行外業點位的踏勘工作，一是能夠科學地布設像控點且準確確定像控點位置，二是無需制作像控點標志和埋設像控點標志，能有效節約成本和提高效率.選擇好像控點后，利用高精度測量儀器在外業采集特征點的點位坐標.

后處理模測方式（方式3）則是選擇與后處理實測方式同位置、同數量的地物特征點作為像控點，區別在于該方式是在已有高精度三維實景模型上采集像控點坐標信息，無需進行外業實地測量，在城市、鄉鎮等三維實景模型局部變化區域更新上減少了工作量，降低了成本，提高了航測建模的效率.

2.3 像控后處理三維建模控制點數量與位置的選取

本文對像控后處理控制點最佳選取方式設計了2步實驗：

第1步：在保證控制點數量相同的情況下，控制點位置布設分為邊角和沿邊選點、中心選點和邊角、沿邊加中心選點3種方式，本次均選取8個像控點.

第2步：在確定第1步哪種方式選取控制點使得像控后處理三維模型精度最高的情況下，再探究該方式選點的數量對像控后處理三維模型精度的影響.

控制點選取方式如下：

方式a：邊角和沿邊選點.根據測區形態，先在測區邊角內側選取特征點作為像控點，當測區面積較大、邊緣較長時可在沿邊適當補點，如圖4a所示.

方式 b：中心選點.在測區中心區域選取適當特征點，如圖4b所示.

方式c：邊角、沿邊加中心選點.首先在測區邊角內側各選取1個特征點，較長邊緣適當補點，然后在中心區域均勻選取幾個特征點，如圖4c所示.

2.4 像控后處理三維模型構建

像控后處理模式與常規方法構建模型的流程不同.首先，針對原始影像數據對實驗區構建無像控模型精度低的問題，在無像控模型上清晰地了解地物的空間關系并科學準確地預選合適的點位位置，利用該區域已有高精度三維實景模型采集預選的像控點坐標;其次，基于實驗區已完成相對定向的數據，從不同架次、不同航線的五鏡頭影像數據中選取點位清晰、無遮擋的相片將像控點以人工的方式刺入原始影像，根據航線的覆蓋范圍對每個像控點選取8～12張影像，對單張分辨率不高或像控點不清晰的相片不選作刺點對象;

最后，按照常規方法進行帶控制點的空三平差，完成不規則格網和白模的構建，根據三維模型的形狀、位置信息從航測的相片中選擇真實的紋理來映射，從而構建出與現實世界相符合的三維實景模型.實驗區像控后處理三維實景模型如圖5所示，紋理逼真清晰，與常規帶控模型外觀一致.

3 模型精度分析

本文采用模型點位精度分析的方法對三維模型的x，y，z方向的誤差和中誤差進行分析，在測區內布設12個檢查點，在連接地面參考站（CORS）的情況下使用實時動態（RTK）差分技術測量點位坐標，以外業采集的檢查點坐標值作為真實值，模型中采集到對應點號的坐標值為測量值，分別計算各檢核點x，y，z方向的誤差和中誤差.

在像控點數量相同的條件下，對不同位置選取像控點進行三維實景模型的像控后處理，并對模型做點位精度分析，以檢查點的RTK測量坐標為真值，對應的模型點坐標為測量值，用上述中誤差計算公式計算得到各模型的平面中誤差和高程中誤差，檢查各方案構建模型的點位精度，結果如表2所示.分析可知：

1）方式a像控后處理模型平面誤差為0.028 7～0.043 5 m，RMSE平面為0.038 2 m，高程誤差為0.035 9～0.060 3 m，RMSE高程為0.042 7 m，高程超過5 cm的檢查點4個，均為測區中間部分的檢查點.方式b像控后處理模型平面誤差為0.038 5～0.056 7 m，RMSE平面為0.041 5 m，平面誤差超過5 cm的檢查點有5個，均為邊緣部分的檢查點；高程誤差為0.042 7～0.124 9 m，RMSE高程為0.073 9 m，高程誤差超過5 cm的檢查點有7個，均為邊緣部分的檢查點.方式c像控后處理模型平面誤差為0.025 3～0.041 7 m，RMSE平面為0.035 6 m，高程誤差為0.031 8～0.042 3 m，RMSE高程為0.039 5 m.

2）借助已有高精度三維實景模型采集特征點作為控制點來提高無像控模型的精度.方式a邊角和沿邊選擇控制點構建的后處理三維模型整體精度滿足1∶500比例尺測圖精度要求，但模型的中間部分達不到0.05 cm的精度要求，因此當測區面積較大且對邊相距較遠、中間部分較廣時，應避免這種像控點僅邊角和沿邊位置的布設方案；方式b中心選擇控制點構建的后處理三維模型精度無法滿足1∶500比例尺測圖精度要求，在后處理選擇特征控制點時應該避免這種像控點僅中間位置布設方案；方式c邊角、沿邊和中心均選取像控點所得的后處理三維模型精度滿足1∶500比例尺測圖精度要求，因此在像控點數量相同的條件下，邊角、沿邊加中心區域均勻選取控制點的布設方式，像控后處理三維模型精度最高.在此結論下進一步探究像控點數量對后處理三維模型精度的影響.

在已有的高精度三維實景模型上分別選取5～12個特征點作為像控點，以方式c的布設方法進行像控后處理三維建模.基于上述檢查點和中誤差公式對模型精度分析和對比，可知：在測區5個像控點的基礎上，中間部分增加像控點的數量可提升模型精度，但增加到4個及以上像控點時，模型平面精度和高程精度提升不明顯.因此，像控點在測區以邊角、沿邊和中間區域均勻分布時，增加布設像控點的數量對模型精度提升作用不大.實驗區以邊角、沿邊加中間的方式在高精度三維實景模型上選取9個特征點作為控制點，像控后處理三維模型控制點的選取及模型精度可達最優，如圖6所示.

基于上述中誤差公式對實驗區進行無像控三維模型點位精度分析，計算結果如表3所示.實驗區相同航測影像數據常規帶控三維模型點位精度分析結果如表4所示.

1）采用無像控方式構建的傾斜攝影三維實景模型，模型點位在x方向的中誤差RMSEx=0.103 5 m，y方向的中誤差RMSEy=0.145 5 m，平面中誤差為0.113 9～0.260 3 m，RMSE平面=0.178 6 m，高程中誤差為0.558 4～0.754 4 m，RMSE高程=0.680 6 m，檢核點的平面和高程中誤差均超過0.10 m，特別是高程精度很低.

2）采用常規布設像控方式構建的傾斜攝影三維模型，模型點位在x方向的中誤差RMSEx=0.001 8 m，y方向的中誤差RMSEy=0.026 7 m，平面中誤差為0.006 0～0.048 9 m，RMSE平面=0.032 3 m，高程中誤差為-0.040 7～0.045 3 m，RMSE高程=0.032 5 m，檢核點的平面和高程中誤差均不超過0.05 m，模型精度滿足1∶500大比例尺測圖精度要求.

經過對比可知，采用無像控構建的三維模型省去了布設控制點的工作量，作業效率得到很大提升，且能夠清晰地還原真實地物的紋理特征、范圍形態，

但存在地物的幾何位置、地物間的相對空間關系表達不夠精確等不足.

本實驗區以邊角、沿邊和中間區域均勻分布的方式在已有高精度三維模型上選取9個特征控制點，使得像控后處理三維建模精度高、效率高，此時模型精度計算結果如表5所示.采用像控后處理模測方式構建的模型點位平面中誤差為0.024 3～0.043 9 m，RMSE平面=0.034 5 m，高程中誤差為-0.041 7～0.041 6 m，RMSE高程=0.036 8 m.采用像控后處理模測方式和常規布設像控方式建立的傾斜攝影三維模型精度基本相同，其平面、高程中誤差均小于0.05 m，表明采用像控后處理方式進行傾斜攝影三維模型的構建具有可行性，3種建模方式構建的模型點位精度比較如圖7所示.

4 總結

本文以南京信息工程大學東苑為實驗區，研究了一種像控后處理模測方式的傾斜攝影三維模型構建方法，通過與無像控方法、常規方法建立的傾斜攝影三維模型進行對比分析，得出以下結論：

1）本文研究的像控后處理模測方式傾斜攝影三維模型構建方法，一是直接在無像控模型上選擇像控點，場景直觀全面，可以科學合理地布設像控點，二是直接選地面特征明顯的標識點，因地制宜就地取材，不需要制作和布設像控點標志，能有效節約布設和維護像控點的成本，并提高作業效率.

2）以常規布控方式建立的傾斜攝影三維模型作為參照對象，分別對不帶像控建模、像控后處理模測方式建立的傾斜攝影三維模型進行精度對比分析.結果表明：無像控建模誤差大、精度低，不能滿足測繪應用需要.采用常規布設像控方式、像控后處理模測方式建立的傾斜攝影三維模型精度基本相同，其平面、高程中誤差均小于0.05 m.采用像控后處理方式進行傾斜攝影三維模型的構建具有可行性，在每平方千米測區以邊角、沿邊加中間的布設方式在高精度三維實景模型上選取20個特征點作為控制點，像控后處理三維模型精度可達最優.

3）本文方法需要在無像控點的三維模型上選取像控點，像控點的基本要求是：點特征明顯，易于識別；變化棱角分明，方便刺點；分布廣泛，方便全域科學布點.因此，本文方法在城市、鄉鎮等道路豐富區三維實景模型定期更新上具有很好的普適性，但是在灘涂、林地、草地、水域等地面明顯變化點稀少區域，存在難以選到合適點的問題，這類地區如何進行高精度的傾斜攝影三維模型快速構建，還有待進一步深入研究.

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Three-dimensional modeling of oblique photography with post-processed image control

CHENG Jianrong1 WANG Chun1，2 DAI Wen3 LI Min4 ZHOU Yiyang1

1School of Remote Sensingamp; Geomatics Engineering，Nanjing University of Information Science amp; Technology，Nanjing 210044

2School of Geographic Information and Tourism，Chuzhou University，Chuzhou 239000

3School of Geographical Sciences，Nanjing University of Information Science amp; Technology，Nanjing 210044

4Anhui Key Laboratory of Real Geographical Environment，Chuzhou University，Chuzhou 239000

Abstract Accuracy is an important indicator of the three-dimensional （3D） model of UAV oblique photography.Conventional modeling need to deploy Ground Control Points （GCPs），which is inefficient and costly.Control-free modeling does not require GCPs，which is efficient but not accurate.Here，we propose a 3D modeling approach for oblique photography with post-processed image control.The study was carried out in the east area of Nanjing University of Information Science amp; Technology.The results show that both the 3D models established by conventional modeling and post-processed image control modeling are accurate，with plane errors and elevation errors less than 0.05 m，meeting the modeling requirements of high efficiency，high precision and low cost.However，the post-processed image control modeling avoids the making and maintaining of the image control points，instead，it deploys the existing high-precision 3D model to select image control points and extract the coordinates.The proposed approach can be applied to regular updating of high-precision 3D real scene models for cities，towns，roads，etc.

Key words oblique photography;image control point;realistic 3D model;post-processed image control;precision

收稿日期2022-03-15

資助項目安徽高校自然科學研究重大項目（KJ2021ZD0130）；滁州市“113”產業創新團隊（實景地理環境智能科技產業創新）

作者簡介

程建榮，男，碩士生，主要研究方向為傾斜攝影實景三維建模.2637329695@qq.com

王春（通信作者），男，博士，教授，主要從事DEM數字地形分析與GIS集成應用技術研究.wangchun93@126.com