无人机倾斜摄影测量三维建模精度评定及应用

胡军杰，赵青芬

（1.江西经济管理干部学院，南昌 330088；2.江西省国土空间调查规划研究院，南昌 330025）

0 引言

随着大数据、物联网、人工智能等技术的发展，当今社会对于数字化的需求也明显增强。对于城市信息化的建设，如何更好更快的获取建筑实体三维数据模型和模型精度都是智慧城市首当其冲的问题。倾斜摄影测量有别于传统的测绘技术之处就是能同时获取实体三维坐标和表面图像，也随着目前三维建模软件的自动化程度和算法精度的逐渐成熟和对硬件设施逐渐降低，使得工作人员对使用无人机倾斜摄影测量技术采集的影像数据可以很方便的完成实景三维建模，对于模型精度分析的研究也就成为当前该技术的一个比较热门的研究方向。

大疆精灵Phantom 4 RTK无人机，是一款具备厘米级导航定位的小型多旋翼高精度低空航测无人机，操作方便，成本低廉，能在飞行时获取实时图像、位置等信息，构建可量测的3D地图，在航空影像数据的采集方面越来越受测绘行业用户重视[1-5]。

1 试验精度评定

本试验是使用大疆Phantom 4 RTK无人机对江西经济管理干部学院航空大楼进行倾斜摄影测量，使用南方测绘银河1 plus获取像控点三维坐标，基于Context Capture完成三维建模并提起特征点数据，并使用南方NTS330进行实地测量。通过实测数据和模型量测数据进行对比分析来检验成果精度（图1）。

图1 技术路线图

（1）航线规划与像控点

根据航空摄影测量相关规范，本次测区航线规划飞行高度100 m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，对测区进行了多视影像采集，共采集照片805张。为确保飞行安全和数据质量，航飞计划一般选择无风晴朗天气的10：00-16：00区间进行。本次试验于2021年3月29日下午2：30-3：30进行作业。

航线规划使用的是精灵 Phantom 4 RTK自带屏遥控器内置的GS RTK App，图2为此次试验航线规划，采用的是摄影测量3D（五向飞行）模式来进行单镜头倾斜摄影测量数据采集。

图 2 航线规划图

本测区采用CGCS2000坐标系统，高斯三度带投影，中央子午线为117°，高程系统为1985高程。飞行前在测区范围内使用油漆预先铺设像控点，个数为4个，均匀的分散在测区的四角。使用RTK对4个像控点分别进行10次平滑采集，用于影像位置的纠正和控制。表1为采集的4个控制点坐标。

表1 像控点坐标

（2）结果与分析

对采集的805张照片进行目视检查，图片清晰度都很好，不需要进行部分删除。然后利用ContextCapture和4个像控点完成三维建模，图3是研究区倾斜摄影测量成果图。

图3 倾斜摄影测量成果

为了对比分析实物与模型的点位精度，本文分别对实物和模型分别选取30个同名特征点。实物测量为南方全站仪NTS330免棱镜模式测量，模型测量为ContextCaptureViewer软件上选点测量。精度分析指标：X方向中误差、Y方向中误差、平面中误差和高程中误差[6-8]，特征点精度统计见表2。

表2 特征点精度统计表（单位为m）

由表1可知坐标增量Δx中误差值为0.033 m；Δy中误差值为0.028 m；平面中误差值为0.044 m；高程中误差值为0.035 m，检查点计算结果符合国家《三维地理信息模型数据产品规范》中Ⅰ级1∶500（检查点平面和高程最大限值分别为0.3 m和0.75 m）[9]相关要求，且质量较好。参照国家1∶500航空摄影测量规范要求（平面精度中误差±0.18 m，高程误差±0.22 m）[10-11]，无人机倾斜摄影测量也适合小区域测绘大比例尺地形图。

2 工程应用

（1）基于倾斜模型的土石方量测算

本项目区位于永修县云山镇境内，任务是获取该县一废弃矿山区剩余矿渣土石方量的总值。虽然场地上原本覆盖的林木已基本被清除，但山体土质疏松不便于行走，不方便用传统的RTK进行测量，所以上海弘缜为业主推荐了更先进的无人机测绘技术来实施土方测量。本次工作采用大疆精灵4RTK对测区分布7个地块进行倾斜三维模型采集，得到现场真实的三维场景。根据倾斜三维模型及外业实际测量高程点成果，获取每个地块的覆盖表面积，结合现场评估的矿渣深度，得到每个地块的土石方总量，结合各个地块的土石占比情况，最终得到该项目矿石的方量为31 090.24 m3。

与常规的测算方式相比较，此次利用倾斜三维建模技术有以下几个优势：一是工作效率高、外业耗时短；二是测量精度高，现场符合度高；三是劳动强度小，作业员安全系数好，工作体验感优越；四是项目成果丰富、除了土方量计算成果，还可生成制作DSM、三维模型、正射影像镶嵌图等图件，这些成果对项目的监督复核具有很大的参考价值。

（2）基于倾斜模型的沿街立面测量

本项目是对南昌县黄马乡集镇的三条主干道沿街立面数据采集来获取立面面积工程量。使用大疆精灵4RTK对测区进行倾斜摄影测量，通过ContextCapture和DPModeler两款软件实现三维建模与立面测图。基于倾斜摄影测量技术的建筑物立面图制作流程，并将立面图制作成果与传统全站仪测量结果进行对比分析，总结出倾斜摄影测量技术运用在该项目上优势：倾斜摄影测量技术以大范围、多角度、高清晰的方式感知真实场景，改变了传统摄影测量只能从垂直视角拍摄的局限性，具有更丰富的影像信息、更高级的用户体验，能更好的助力老旧小区改造项目中对于沿街立面数据采集的新要求。

3 结语

试验表明使用大疆Phantom 4 RTK无人机采集多视影像数据建立的实景三维模型精度确实可以达到国家《三维地理信息模型数据产品规范》中Ⅰ级1∶500相关要求和1∶500航空摄影测量规范要求，无人机倾斜摄影测量也适合小区域测绘大比例尺地形图。通过实际工程案例也可以看出，相比于传统的的测量方式，无人机倾斜摄影测量不管在测量效率上还是在用户体验感上，都较常规测量更加高效、更加真实，对于城市信息模型的建设将可以提供非常适时、高质量的数据支撑。