小区域消费级无人机倾斜摄影像控点布设及建模精度研究

桑文刚，李 娜，韩 峰，赵培华，李玉斌

(1.山东建筑大学，山东 济南 250101；2.济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101)

近年来，随着智慧城市、智慧校园建设的蓬勃发展，对于街区、校园尺度的小区域实景三维建模需求日益提高。而无人机倾斜摄影测量技术的出现，为以上建设项目的开展提供了一条较优解决方案。尤其是近年来利用大疆等消费级无人机搭载单镜头获取小区域范围影像数据进行实景三维建模，以其经济性、灵活性、实用性等优点，在该领域展现出巨大的应用潜力。像控点布设作为倾斜摄影三维模型构建的重要环节，直接决定后期三维模型的精度，早期研究及相关规范多针对于传统航空摄影，对于此类低空无人机倾斜摄影并没有明确规定，传统的摄影测量布点方式也无法完全适用于无人机倾斜摄影测量。因此，在实际生产应用中需要对无人机倾斜摄影测量像控点的布设方式进行探讨。

文献[1]提出了基于倾斜摄影测量技术构建实景三维模型的方法，并对三维模型精度进行评估。文献[2]通过6种像控点布设方案进行对比分析，得出四周均匀布点、内部少量布点的方案空三精度最高。文献[3]通过对无人机航空摄影像控点布设方法的探讨，对数字正射影像进行精度分析，总结出适合1∶1000和1∶2000数字正射影像图的像控点布设方案。文献[4]通过设计9个不同等级的像控点布设方案，分析了特殊区域像控点个数对成图精度的影响。在多项研究中，针对校园类小区域范围的相关研究较少。本文根据诸多学者的研究，结合校园实际情况，提出利用消费级单镜头多旋翼无人机航测技术装备，获取校园小范围区域航片数据作为详细研究对象，采用不同像控点布设方案制作出不同的三维模型成果，验证不同成果之间的精度差异，最终总结出符合街区、校园尺度的小区域三维模型精度的合理的像控点布设模式，从而提高基于无人机倾斜摄影构建三维模型的整体工作效率及精度。

1 像控点布设原则及三维模型精度指标

1.1 布设原则

像控点的布设方式与数量直接决定后续成果的精度，并使成果具有真实的地理坐标。像控点的选择和布设需遵循一定的原则，通常根据地形条件、摄影资料及信息处理方法的不同，布设方案也要作相应调整。像控点的布设原则具体如下[5]：

(1)像控点一般根据测区范围统一布点，应均匀、立体的布设在测区范围内。

(2)布设在同一位置的像控点应联测成平高点。

(3)像控点点位的分布应避免形成近似直线。

(4)应尽量在像控点处布设地面标志，或选择明显目标点处，便于辨别以提高刺点的精度，增强像控点的可靠性。

(5)像控点布设结束后应尽量进行拍照记录，便于后续内业刺点工作。

1.2 三维模型的精度评定标准

三维模型的成果精度主要取决于像控点的布设方式与数量，其精度评定标准由中华人民共和国测绘行业标准中的《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)[6]规定，本文采用该标准检验三维模型的精度是否符合要求，平面和高程的精度要求见表1、表2。

表1 《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)中的平面精度

表2 《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)中的高程精度

2 无人机倾斜摄影像控点的布设

基于上述的像控点布设原则，充分考虑测区内地形及所需的成果数据，本文选取校园典型小区域作为试验区，并考虑多种因素设计了不同的像控点布设方案，验证其布设方式对模型成果精度的影响。

2.1 测区概况及数据采集

本次试验主要选取山东建筑大学典型区域，试验区域面积约0.12 km2，使用消费级单镜头多旋翼无人机进行低空倾斜摄影，在所测区域分别进行下视影像和倾斜影像的采集，共采集像片1122张，试验区域航摄参数见表3。

表3 试验区域航摄参数

2.2 像控点布设方案

无人机航拍获取的影像具有像幅小、基线短、重叠度大等特点，本次无人机航飞数据主要是制作三维模型成果，综合考虑外业像控点布设方式及内业空三加密精度，重点探讨不同的像控点布设方案[7-9]对三维模型成果精度的影响。

本次试验综合考虑了测区范围、地形及建筑物密集程度等因素，设计了4种像控点布设方案。

(1)边缘平高设控(图1(a))：仅在测区边缘和角点布设4个平高控制点，评定边角设控对模型精度的影响。

(2)中心平高设控(图1(b))：仅在测区中心布设4个平高控制点，评定中心设控对模型精度的影响。

(3)全面平高设控(图1(c))：在测区边角和中心均布设平高控制点，评定全面设控对模型精度的影响。

(4)边缘平高、中心高程设控(图1(d))：在测区边角设置平高控制点，测区中心设置高程控制点，评定该方案对模型精度的影响。由于高程控制点的计算量和布设成本低于平高控制点，该方案用来考察像控点布设的经济性和实用性。

像控点布设方式是影响三维场景整体精度的主要因素，本文将不同像控点布设方案参与的空三加密成果引入到三维模型重建中，得到4个不同的整体三维模型。为了后续模型精度评估，还需布设相应的检查点，检查点的布设与量测主要是评价最终成果的精度，本文采取高精度RTK技术测量90个特征点作为检查点，分别在4个三维模型中提取相同特征点的坐标，通过精度对比分析得到符合校园典型区域的合理像控点布设方式。

2.3 三维模型的构建

本文主要基于无人机倾斜摄影构建非单体化三维模型，通过不同的像控点布设方案进行空三加密处理及三维模型构建得到相应的三维模型成果。整体三维模型如图2所示，分别在4个方案得到的三维模型中量测90个检查点的三维坐标并记录，经过相应的计算，得到不同模型成果的精度指标，通过对比分析验证不同像控点布设方式对模型成果精度的影响。

3 试验结果统计及分析

本文设计了4种像控点布设方案，将不同像控点布设方案参与的空三加密成果引入到构建三维模型过程中，得到各自的模型成果。为了检测倾斜摄影测量重建三维模型的精度，利用RTK在试验区实地量测90个特征点的坐标作为检查点，记录为CGCS2000坐标，在软件中量测每个检查点对应的4个三维模型中的坐标，同样记录为CGCS2000坐标。将RTK量测的三维坐标作为检查点的真值，将软件量测的三维坐标作为检查点的观测值，通过计算分别得到X、Y、Z3个方向的真误差，并由中误差计算公式分别得到4个三维模型X、Y、Z3个方向的中误差，计算公式为

(1)

(2)

(3)

根据X方向、Y方向的中误差分别计算得到不同模型的平面中误差，计算公式为

(4)

结果见表4。

表4 三维模型的中误差

由表4可知4种布设方案对应的建模精度中，平面中误差最大为0.089 7 m，高程中误差最大为0.060 3 m，完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》中对于Ⅰ级产品的要求，但不同的像控点布设方案参与构建的三维模型精度有所差异。从表4数据可以看出，方案3全面平高设控构建的三维模型平面及高程精度最优；方案4边缘平高、中心高程设控构建的三维模型平面及高程精度次之；方案2中心平高设控构建的三维模型平面及高程精度最差。可见不同像控点的分布对模型的精度影响较为明显。在高程方面，通过图3可知方案2采用中心平高设控比其他3种方案对测区高程的精度控制较弱，采用全面均匀布控有利于测区整体精度的提高，但存在成本高，效率低等问题。因此，在项目生产中可进一步融入成本、工作及计算效率等多种因素，选择边缘平高设控，中心高程设控的布设方案，并加以优化，既能保证项目成果的精度，又能提高整体的工作效率。

4 结 语

本文针对街区、校园尺度的小范围区域，利用消费级多旋翼无人机搭载单镜头，重点研究了不同像控点布设策略对三维实景建模精度的影响，并选择典型校园区域提出了4种不同布设方案，进行影像的采集与数据处理，并对不同方案对应三维模型平面及高程精度加以对比分析。虽然4种像控点布设方案得到的三维模型平面中误差最大为0.089 7 m，高程中误差最大为0.060 3 m，其精度均符合《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)中Ⅰ级产品的要求，但其精度分布受到像控点分布和数量影响较为明显。为了降低操作难度与生产成本，提高工作效率，可选择边缘平高设控，中心高程设控的基本布点方式，并在像控点数量及布设方式上进行合理增加及优化，以达到相应的精度指标。