基于高精度測繪無人機的城市三維模型構(gòu)建研究

摘要：研究目的是探索高精度測繪無人機用于城市三維模型建設(shè)，重點研究飛行高度、影像分辨率、GPS定位精度和傳感器精度等因素對測繪精度產(chǎn)生的影響。利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，并通過誤差分析給出一組優(yōu)化方案。研究結(jié)果表明：建模精度隨飛行高度及影像分辨率升高而明顯提高。GPS定位精度及傳感器精度的提高可以有效地減少誤差的傳播，進一步改善測繪精度。通過數(shù)值模擬與實際數(shù)據(jù)對該優(yōu)化方案進行驗證。優(yōu)化三維模型從可視化效果及實用性上都有很高的性能，能更加真實地反映城市結(jié)構(gòu)。該研究對高精度測繪無人機應(yīng)用于城市建模提供理論依據(jù)，同時也對今后研究方向進行展望，以期進一步提高測繪精度。

關(guān)鍵詞：高精度測繪無人機；城市三維模型；誤差分析；優(yōu)化方案

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）14-0107-04

0引言

隨著城市化進程加快，城市三維模型構(gòu)建日漸成為城市規(guī)劃和管理的重要工具。高精度測繪無人機技術(shù)憑借其高效性、靈活性和較低的成本，已成為構(gòu)建城市三維模型的理想選擇[1]。影響模型精度的因素眾多，主要包括飛行高度、影像分辨率、GPS定位精度以及傳感器精度等。為了提高模型的精度，必須考慮這些因素如何相互作用，并在實際測繪中進行優(yōu)化。尤其是高精度GPS定位系統(tǒng)和高分辨率傳感器的結(jié)合，能夠顯著減少測量誤差，從而有效提升城市三維模型的構(gòu)建質(zhì)量。隨著技術(shù)的進步，新的無人機測繪設(shè)備和方法不斷涌現(xiàn)，提供了更多的優(yōu)化空間和更精確的測量手段。在引用數(shù)據(jù)時，首次提到“中國物流與采購聯(lián)合會數(shù)據(jù)”時應(yīng)具體說明數(shù)據(jù)的年份和來源，以便讓讀者更加清晰地理解數(shù)據(jù)的背景。

1高精度測繪無人機概況

1.1高精度測繪無人機的定義及特點

高精度測繪無人機是一種裝備了高精度測量工具，如高分辨率相機、激光雷達（LiDAR）、GPS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的無人飛行器，主要用于地面測繪。其主要特征包括高精度定位與測量能力、強大的自主飛行能力以及靈活的應(yīng)用場景。飛控系統(tǒng)中的GPS接收精度和傳感器配置對測繪精度至關(guān)重要。飛控系統(tǒng)負責(zé)無人機航向控制和飛行穩(wěn)定性，高精度GPS接收器保證了定位精度，而傳感器則提供影像或點云數(shù)據(jù)[2]。這些技術(shù)的結(jié)合使得無人機測繪在城市環(huán)境中，相較于傳統(tǒng)的測繪方式，表現(xiàn)得更加高效和精確。無人機測繪能夠克服傳統(tǒng)地面測量方法在復(fù)雜地形中的局限性，快速高效地完成大范圍的測繪任務(wù)，尤其適用于高樓林立的城市環(huán)境。

1.2高精度測繪無人機的應(yīng)用條件

無人機在高精度測繪中的使用條件主要受到城市環(huán)境和地形復(fù)雜性的影響。城市中高樓密集、建筑高度差異大，這些因素使得測繪精度要求更高。飛行高度、飛行路徑及傳感器精度需要精心設(shè)計與規(guī)劃，以確保數(shù)據(jù)的準確性。在復(fù)雜地形和建筑密集的區(qū)域飛行時，信號遮擋和GPS信號誤差是常見問題。例如建筑物的遮擋可能導(dǎo)致GPS信號減弱，從而影響定位精度。惡劣的天氣條件和周圍遮擋物等環(huán)境因素也會對測繪精度造成干擾，要求采取數(shù)據(jù)后處理和誤差修正等措施，以減小這些不利影響。只有在合理規(guī)劃飛行路徑、選擇合適的傳感器配置以及進行誤差修正后，才能確保測繪數(shù)據(jù)的可靠性和高精度[3]。

2城市三維模型構(gòu)建的主要影響因素及關(guān)鍵措施

2.1主要影響因素

城市三維模型的準確性受到多種因素的影響，其中GPS信號誤差對測繪準確性尤為重要，特別是在高樓密集的城市區(qū)域，衛(wèi)星信號容易被建筑物遮擋。為緩解該問題，通常采用差分GPS（DGPS）和實時動態(tài)定位技術(shù)（RTK）進行誤差補償，從而提高定位精度。影像數(shù)據(jù)的獲取和航拍參數(shù)的優(yōu)化同樣是關(guān)鍵因素[4]。

在航拍過程中，飛行高度、相機角度以及焦距需要根據(jù)目標區(qū)域的特點進行調(diào)整，確保獲得清晰、無失真的影像。在數(shù)據(jù)拼接過程中，拼接算法的精度、圖像重疊度以及地面控制點的選取等因素，都直接影響建模精度。這些因素相互作用，共同決定了城市三維模型的精度和可視化效果。

2.2關(guān)鍵優(yōu)化措施

為提高測繪準確性，須增強飛控系統(tǒng)與GPS的接收精度。高精度飛控技術(shù)與RTK技術(shù)的引入能夠顯著降低定位誤差，提高測量精度。影像數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理同樣至關(guān)重要。影像去噪、色彩校正和幾何校正處理方法能夠有效增強影像質(zhì)量，減少誤差對建模精度的影響[5]。影像去噪可以清除圖像中的噪聲，色彩校正則修正影像的顏色失真，幾何校正則解決影像的幾何畸變問題。這些處理環(huán)節(jié)的有效結(jié)合，有助于提高后續(xù)建模的精度。無人機航線規(guī)劃優(yōu)化策略也是一個關(guān)鍵因素。合理的航線規(guī)劃不僅能提高飛行效率、減少重疊區(qū)域，還能確保數(shù)據(jù)采集的均勻性和完整性，從而提高三維建模的精度和可靠性。

2.3數(shù)據(jù)處理與精度提升策略

建立城市三維模型時，數(shù)據(jù)處理階段對提高建模精度至關(guān)重要。點云數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，直接影響模型精度。為了精確地生成點云，需要依賴于高品質(zhì)的傳感技術(shù)，例如激光雷達（LiDAR）和高清晰度的影像儀器。數(shù)據(jù)過濾與降噪技術(shù)對保證數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要，剔除異常點與噪聲可以有效地改善點云準確性。點云配準技術(shù)是提高精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是在多次掃描或多視角數(shù)據(jù)結(jié)合的情況下，利用ICP算法（迭代最鄰近算法）等配準技術(shù)，可以減少誤差并提高數(shù)據(jù)匹配的精度。

3城市三維模型的仿真分析

3.1仿真模型構(gòu)建

城市三維建模的基本流程包括測繪數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云生成、三維建模和后期優(yōu)化等環(huán)節(jié)。測繪數(shù)據(jù)采集階段通過無人機航拍收集影像數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和精度。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，主要包括對原始影像進行幾何校正，去除畸變，確保圖像的清晰度，并將其轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)處理的點云格式。點云生成階段利用結(jié)構(gòu)從運動（SfM）或多視角立體（MVS）算法生成三維點云數(shù)據(jù)。在三維建模階段，通過點云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，并進行紋理映射和表面重建。后期優(yōu)化包括誤差校正、光照調(diào)整和模型簡化等步驟，以確保模型的精度和真實感。本研究選定四個關(guān)鍵指標進行仿真分析：飛行高度、影像分辨率、GPS定位精度和傳感器類型。通過這些參數(shù)，能夠模擬不同測繪條件下的建模精度，以優(yōu)化測繪和建模的整體效果。

3.2數(shù)值模擬參數(shù)

影響測繪數(shù)據(jù)精度的關(guān)鍵參數(shù)包括飛行高度（H）、影像分辨率（R）、GPS定位精度（σGPS）以及傳感器精度（σsensor）。這些參數(shù)與建模精度直接相關(guān)，并且它們的變化會引起誤差傳播。下列公式定義了影響建模精度的數(shù)值模擬參數(shù)，飛行高度對精度的影響。

3.3技術(shù)階段劃分

城市三維模型構(gòu)建可以分為三個主要技術(shù)階段：數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)處理與點云生成階段、三維建模與后期優(yōu)化階段。①數(shù)據(jù)采集階段：在這一階段，無人機通過航拍收集影像數(shù)據(jù)，GPS和IMU設(shè)備提供精確的定位和姿態(tài)信息。飛行高度、航線規(guī)劃等因素決定了數(shù)據(jù)采集的完整性和精度。②數(shù)據(jù)處理與點云生成階段：數(shù)據(jù)處理階段將采集的影像數(shù)據(jù)進行拼接、去噪、畸變校正，并使用結(jié)構(gòu)從運動（SfM）或多視角立體（MVS）算法生成三維點云。這一過程對數(shù)據(jù)的精度和密度要求較高。③三維建模與后期優(yōu)化階段：通過點云數(shù)據(jù)生成三維模型，在此過程中需要進行紋理映射、表面重建以及精度優(yōu)化。后期優(yōu)化包括誤差校正、光照調(diào)整及模型簡化等操作，以確保模型的真實還原與計算效率。

3.4數(shù)值模擬分析

在模擬分析中，設(shè)置了以下四個指標：飛行高度、影像分辨率、GPS定位精度和傳感器精度，并對這些參數(shù)的變化進行了誤差傳播分析。表1展示了不同參數(shù)組合下，三維建模精度的變化情況。

從分析中可見飛行高度與影像分辨率對于建模精度有很大影響。誤差傳播隨飛行高度升高逐漸加劇，影像分辨率越高有利于降低建模誤差。GPS定位精度及傳感器精度的改善還可以顯著減小誤差。在實踐中，通過優(yōu)化航線規(guī)劃、選用高精度傳感器等措施會有效地提高建模的精度。

4關(guān)鍵測繪與建模技術(shù)

4.1無人機航拍測繪技術(shù)

無人機航拍測繪是城市三維建模的核心內(nèi)容，它通過高精度的影像數(shù)據(jù)采集，能夠快速、有效地構(gòu)建三維模型。航線規(guī)劃的優(yōu)化是確保數(shù)據(jù)采集有效性和準確性的基礎(chǔ)。合理的航線規(guī)劃可以最大程度減少數(shù)據(jù)重疊與空白區(qū)域，優(yōu)化飛行路徑，減少測量誤差。在航拍過程中，高度、速度和拍攝角度等參數(shù)須根據(jù)地形特點和建模需求進行調(diào)整。拍攝策略中，影像的重疊度、拍攝頻率和不同視角的選擇至關(guān)重要，它們確保數(shù)據(jù)覆蓋目標區(qū)域并為高精度重建提供保障。通過優(yōu)化航線和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，可以顯著提高三維建模的質(zhì)量與效率，從而更好地適應(yīng)城市建模的需求。

4.2點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)

點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)是利用無人機獲取原始影像或者激光雷達數(shù)據(jù)，提取準確三維信息的一個重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)過濾及降噪是處理流程中的關(guān)鍵步驟，它通過剔除錯誤點及異常數(shù)據(jù)來改善點云數(shù)據(jù)。常用的降噪方法主要有兩種：一種是以距離為單位進行濾波；另一種是統(tǒng)計濾波。精度優(yōu)化方法例如ICP（IterativeClosestPoint）算法能夠通過迭代匹配在不同數(shù)據(jù)集間點云來降低配準誤差和增強點云精度。誤差補償技術(shù)還可以通過對誤差源的分析和校正來進一步提升測繪數(shù)據(jù)精度。優(yōu)化點云為后續(xù)三維建模提供可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3三維建模與紋理映射技術(shù)

三維建模和紋理映射技術(shù)是從處理后的點云數(shù)據(jù)到逼真，可視化城市三維模型過程中至關(guān)重要的一步。點云生成三維模型的過程中，先利用表面重建算法把點云變換成網(wǎng)格模型，然后基于模型的表面繪制紋理以增強視覺效果。紋理貼圖優(yōu)化技術(shù)則在此過程中扮演了重要角色，可以去除圖像中的畸變、加強細節(jié)表現(xiàn)以及保證紋理和模型表面精確匹配等。光照處理技術(shù)同樣是模型真實感的關(guān)鍵。通過調(diào)節(jié)光照模型參數(shù)對陰影及高光效果進行優(yōu)化，使最終三維模型視覺更逼真、自然。

5控制措施實施及效果分析

5.1現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場監(jiān)測階段，根據(jù)前文給出的四個指標進行實時數(shù)據(jù)采集。表2、圖1是某城市區(qū)域在不同時間點的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括測繪數(shù)據(jù)與真實地形的對比，以及誤差分析數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著飛行高度的增加和影像分辨率的提高，測繪精度得到了顯著提升。GPS定位精度和傳感器精度對誤差的影響也明顯，尤其在高精度要求下，較小的定位誤差便可能導(dǎo)致較大的模型誤差，因此精度優(yōu)化方案尤為重要。

5.2實施效果評價

通過分析表2中的數(shù)據(jù)，可以看出在不同時間段和不同測繪條件下，誤差傳播與實際地形誤差的關(guān)系。飛行高度的提高有助于減少誤差傳播，尤其在150m和200m的飛行高度時，誤差較小。影像分辨率對建模精度有直接影響，分辨率較高時，誤差明顯降低，尤其在300m飛行高度時，誤差降至最低。GPS定位精度和傳感器精度的提升同樣對建模精度有著顯著效果，低精度的GPS信號和傳感器直接導(dǎo)致了較大的誤差。通過精度優(yōu)化措施（如提高傳感器精度和使用RTK技術(shù)），可以有效降低建模誤差，提升模型的精度與可靠性。

從三維模型的實用性與可視化效果來看，經(jīng)過優(yōu)化后的模型表現(xiàn)出較高的真實還原度和清晰度，能夠準確展示城市結(jié)構(gòu)和地形細節(jié)。在方案優(yōu)化建議方面，建議進一步優(yōu)化航線規(guī)劃，提高傳感器精度，并結(jié)合實時誤差補償技術(shù)，以進一步提高測繪數(shù)據(jù)的精度和后期建模效果。

6結(jié)論

該研究表明，應(yīng)用高精度測繪無人機技術(shù)在城市三維模型建設(shè)中具有可行性。飛行高度、影像分辨率、GPS定位精度和傳感器精度等因素顯著影響模型的精度。模擬結(jié)果顯示，隨著飛行高度的增加和影像分辨率的提升，模型的準確性有了明顯提高，尤其是在GPS定位誤差較小和傳感器精度較高的情況下，建模誤差顯著降低，模型精度得到顯著改善。通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的比對，研究還表明合理的航線規(guī)劃和高精度設(shè)備能有效提升測繪精度，從而提高三維模型的實用性和可視化效果。未來，進一步提高傳感器精度和采用實時誤差補償技術(shù)等措施，將有助于提升建模精度并增強系統(tǒng)的可靠性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】