1∶1000固定翼无人机倾斜摄影建模精度分析

冯雅秀 朱兰艳 龚绪才

摘 要：无人机倾斜摄影测量技术近年来已被广泛运用于数字城市建设和应急救灾行业中。为研究三维模型在快速构建过程中的真实性和准确性，以1∶1 000大比例尺三维倾斜模型构建及对其精度的评估为目的，采用固定翼无人机作为航测平台，搭载3镜头数码相机，简要探讨了倾斜摄影的关键技术，总结了基于无人机倾斜摄影的数据采集和处理流程，并着重对相应数据成果进行了精度分析。实验结果表明，各项精度均能满足1∶1 000大比例尺航测内业规范要求。该方法能有效反映真实的地物地貌，大大提高了生产效率，对相关应用具有一定指导意义。

关键词：无人机；倾斜摄影；航线布设；三维建模；精度评估

DOI：10.11907/rjdk.172593

中图分类号：TP317.4

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）004-0205-04

Abstract：Unmanned aerial vehicle （UAV） oblique photography technology has been widely used in digital city construction and emergency relief in recent years. In order to study the authenticity and accuracy of 3D modeling in the rapid construction process， with the purpose of oblique 3D modeling at large-scale of 1∶1 000 and its accuracy evaluation， this paper uses a fixed-wing UAV as aerial platform equipped with an 3-lens digital camera for data capture， then it presents the key technology of oblique photography. Based on UAV oblique photography， this paper first summarizes the data acquisition and data processing workflow， then focuses on the evaluation the accuracy of the 3D model. Results show that the accuracy can satisfy specifications for office operation of low-altitude digital aerophotogrammetry at large-scale of 1∶1 000， and we can draw the conclusion that it can show the landform factually and effectively under the precondition of accuracy requirements， which increas production efficiency and plays an important role on directing the practical work.

Key Words：UAV； oblique photography； flight route； 3D modeling； accuracy evaluation

0 引言

隨着我国城市化进程的不断加快，传统的摄影测量[1]技术因不能全方位感知场景和重建模型而无法满足当前城市发展的需要。因此，倾斜摄影测量[2]技术凭借其多角度、大范围、高精度、高清晰等优势成为近年来国际上发展十分迅速的一项测量技术。该技术对于智慧城市的发展起着重要推动，其提供的一系列地物信息，可以构建三维城市模型，从而为城市的智能化管理提供便利条件。该技术从1个垂直、4个倾斜的不同视角同步采集影像，获取丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，生成真实的三维城市模型[3]。倾斜摄影测量技术应用范围相当广，可以延伸到生活中的方方面面，例如：政府方面的基础测绘、公共安全、执法行动、规划发展、消防；公共事业方面的灾害评估、环保、紧急救助；企业方面的保险、房地产；公众方面的位置服务、互联网应用、旅游等。

1 无人机倾斜摄影技术流程

无人机倾斜摄影生成实景三维模型的技术流程主要包括：外业数据采集、像控点布设与量测、数据预处理、倾斜影像空中三角测量、倾斜影像密集匹配、点云生成、TIN三角网构建与三维建模[3-7]等几部分，具体流程如图1所示。

2 应用实例

2.1 测区概况

本文以抚仙湖北片区为研究对象，研究区域航拍面积约4km2，高程在1 723～1 728m之间，研究区域概况如图2所示。

2.2 外业数据获取

2.2.1 影像采集

本次试验采用固定翼无人机飞行平台搭载北京数维翔图的3镜头倾斜相机，获取试验区倾斜影像。相机的3个镜头已经过室内检校场检校，其主要参数如表1所示。

本次试验共计飞行2个架次，有效像片10 328张，影像清晰度及拼接度较好，但仍有少许云影，部分水面有反光。

2.2.2 航线布设

由于受测区地形环境、雨季、空管等诸多因素限制，研究区域航拍测绘项目实际飞行2个有效架次。航线设计如图3所示。

该架次内航线敷设采用多方向与变高飞行设计[8]，相邻处都确保了比较充足的重叠区域。该航线基本技术参数如表2所示。

2.2.3 像控点布设与施测

本次航飞像控点布设采用区域网布点法[9]，航向布设于旁向重叠区域的中线附近，综合考虑交通条件、地面目标判读条件、航线形状，使测区周边尽可能布设点位。本次航飞外业实测45个像控点，投影采用高斯-克吕格3°带投影，中央子午线为东经102°（34带），其精度满足1∶1 000大比例尺成图要求。像控点布设如图4所示。

2.3 内业数据处理

该研究区域内业处理过程采用Bentley ContextCapture软件：①数据预处理包括原始影像导入、像控点文件与相机校验参数导入、航带导入及工程各项参数设置等制作；②采用光束法区域网进行倾斜影像空中三角测量控制点加密[10]；③在完成倾斜影像空中三角测量并符合精度要求的基础上，通过在密集匹配[11]处理过程中应用特征匹配策略，快速、高可靠性地匹配密集DSM（数字表面模型）点云；④生成DSM后，在多视匹配过程中记录同名像点及其与地面的可视对应关系，根据可视纠正过程中的记录结果，选取地面点在影像上的最佳像素进行灰度重采样，最后以像素为单位组合生成真正射影像及倾斜三维模型[12-13]。其部分成果如图5所示。

3 数据成果精度分析

3.1 傾斜影像空三精度

为提高模型定位精度，在建模前对倾斜影像空三匹配结果进行精度分析[14-15]。在该研究区域内选取17个控制点和23个检查点，其精度如表3、表4所示。

如表3、表4所示，研究区域倾斜影像空三控制点平面中误差为±0.10m，平面最大误差为±0.16m，高程中误差为±0.09m，高程最大误差为±0.22m；检查点平面中误差为±0.14m，平面最大误差为±0.27m，高程中误差为±0.12m，高程最大误差为±0.29m。满足CH/Z 3003—2010《低空数字航空摄影测量内业规范》对空三加密成果的精度要求。

3.2 模型精度分析

借助于RTK在测区外业实地测量的刺点片，读出13个检查点在模型上的坐标。然后与该点的实际坐标作对比，进行精度评估，结果如表5、表6所示。

由表5、表6可知，经13个检查点在模型上的坐标与该点的实际坐标对比后得出，其在X、Y、Z方向上的中误差分别为±0.125m、±0115m、±0.06m，即平面中误差为±0.170m，高程中误差为±0.06m。

为进一步评估模型的高程精度，在模型上选取两个平坦区域进行精度分析。在两个区域内分别随机选取40个检查点，统计这些检查点的高程波动情况分析模型精度。两个区域的高程数值统计如表7所示。

如图6、图7所示，区域一和区域二的DSM高程波动较稳定，随机选取的检查点高程差精度均小于15cm，满足1∶1 000比例尺成图精度要求。

4 结语

本文基于固定翼无人机三维倾斜模型的构建，简要描述了倾斜摄影的关键技术。实验表明，利用Bentley ContextCapture软件处理非量测型数码相机采集的倾斜影像，快速生成研究区域的三维模型，能够反映真实的地物地貌，提高数据处理的自动化程度，大大提高了生产效率。倾斜影像空三加密精度和生成的模型精度能够满足1∶1 000大比例尺航测内业规范要求，满足测绘行业对于其成果的需求。但由于飞行姿态不稳定、畸变较大等因素，使人工干预的工作量增大，且模型的地面区域存在部分遮挡，导致地面较低处的模型质量欠佳，相关问题需要在后续研究中进一步探讨。

参考文献：

[1] 王佩军，徐亚明.摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[2] 王志勇，张继贤，黄国满.数字摄影测量新技术[M].北京：测绘出版社，2012.

[3] 李安福，曾政祥，吴晓明.浅析国内倾斜摄影技术的发展[J].测绘与空间地理信息，2014，37（9）：57-62.

[4] 谭金石，黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估[J].现代测绘，2015，38（5）：21-24.

[5] 曹良中，陈曦，杨辽，等.基于倾斜影像的三维城市自动建模[J].测绘科学，2017，42（1）：124-130.

[6] 吴军，程门门，姚泽鑫，等.倾斜航空影像的城区DSM生成[J].中国图象图形学报，2015，20（6）：0845-0856.

[7] 郭林凯.利用倾斜摄影进行TDOM制作的研究[J].测绘通报，2017（2）：79-81.

[8] 于广瑞，王智超，张坤鹏，等.基于测绘型无人机航线优化设计应用研究[J].北京测绘，2015（4）：46-49.

[9] 杨波，曹爱民.基于无人机的GNSS/INS辅助空中三角测量像控点布设方案分析[J].测绘，2016，39（6）：266-268.

[10] 索效荣，齐苑辰.基于SIFT算法的无人机航空遥感影像匹配[J].测绘科学，2012，37（1）：89-92.

[11] 冯飞，冯建辉，赵艳艳.无人机影像密集匹配方法[J].遥感信息，2016，31（5）：122-125.

[12] 孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘，2014，37（1）：18-21.

[13] 王建强，钟春惺，江丽钧，等.基于多视航空影像的城市三维建模方法[J].测绘科学，2014，39（3）：70-74.

[14] 马晨，杨辽，池梦群，等.非量测相机倾斜航空影像空三加密精度评价[J].遥感信息，2015，30（6）：71-75.

[15] 吴正鹏，张晓东，奚歌.浅谈全数字空中三角测量精度影响因素及质量控制[J].测绘与空间地理信息，2013，36（11）：184-186.

（责任编辑：黄 健）