基于倾斜摄影测量的建筑物立面测量精度分析

童烈阳

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

0.引言

倾斜摄影技术随着测绘技术的日益发展破土而出，其重要意义在于改变了传统意义上的正面摄影方式，弥补了传统航空摄影测量技术只可以从单个角度获取地面影像、不能准确且全方位地反映地面实际情况的限制，解决了垂直角度拍摄的限制，适合配置多个传感器，通过无人机操作从多个角度聚合信息，从而创建3D图像[1]。基于倾斜摄影技术生成的实景三维模型能够生动形象且更为全面地反映测区实际情况，提高了实景三维模型的可读性，丰富了地理信息，用户在此过程中也可获得更强烈的现实感[2]。基于无人机倾斜摄影测量技术，可以快速高效地建立小区域的城市实景三维模型，为测绘领域提供了便利[3]。

通过使用经纬M300 RTK飞行器，搭载大疆禅思P1型相机进行影像数据采集，以此来进行空中三角加密，构建实景三维模型，对模型中某建筑物的南立面进行勾绘并做出相应的精度评定。目前对于倾斜摄影测量的建筑物立面测量的精度分析研究较少，本文的创新点在于对倾斜摄影测量的建筑物立面测量进行精度分析，推动了建筑物立面测量精度分析的研究进程。

1.实验数据获取

1.1 无人机系统概述

本实验选取的飞行器是经纬M300 RTK飞行器，此产品是大疆具有里程碑意义的创新型产品，拥有最长飞行时间达到55min、最大可承受风速达到7级、图传距离可达到15km等多项优势，可提供强稳定、高精确度以及高效率的航测解决方案。

此次实验选取大疆最新研发的新型相机-禅思P1型4500万像素全画幅相机，它支持免像控测量，大大提高了用户获取影像的效率；支持8192×5460分辨率的照片、单像元尺寸达到了4.4μm,意味着在高效率的同时，尽可能保证高的地面清晰度，以便于得到高质量的实景三维模型。

1.2 倾斜影像获取

实验测区位于佛山市怡景丽苑，北起魁奇二路，南至新明二路，西临岭南大道，东至湾梁路。地处三角洲平原，高差起伏不大，无需分区处理。

根据接收到的具体飞行任务以及低空数字航空摄影标准的有关规定，首先设置航空摄影技术的有关参数，以此来确保无人机按照规定的航线飞行，设置的参数主要包括以下几个方面：

（1）设置飞行高度

因为不同的比例尺对于航拍的成图都有一定的影响，所以应该根据当前航摄影像使用的用途以及测绘区域的地形情况，同时参考测图的比例尺和分辨率等情况进行综合考量计算（如表1所示），并有针对性地计算地面分辨率。计算飞行高度如式（1）所示：

表1 航拍参数设计

式（1）中，H为飞行高度；f为物镜镜头焦距；a为像元尺寸；GSD为航摄影像地面分辨率。

（2）设置像片重叠度

依据低空数字航空摄影的相关规范准则，像片重叠度应该满足以下要求：航向重叠度在一般情况下应该为60%至80%，但是不得小于53%；旁向重叠度在一般情况下应该为15%至70%，最低不得小于15%。

（3）设置航线参数

根据实验区的大小来确定飞行航向以及航线长度，并且依据式（2）计算出摄影基线长度，最后依据式（3）得出航线间隔宽度。

式（2）、式（3）中，Bx为实地摄影长度；Dx为实地航线间隔宽度；Lx和Ly为像幅长和宽；px和qy为航向重叠度和旁向重叠度。

根据计算出的数据（如表2所示），我们设置12条航线。

航摄的飞行和影像质量影响空三加密的精度，也决定了最终生成测绘产品的精度。

2.实景三维建模与立面图绘制

2.1 三维模型的构建

根据无人机倾斜摄影测量获取的655张航拍图，确定bin数据和MRK数据。因为在拍摄的过程中具有一定的不确定性，如光照不均匀、时相差以及拍摄角度等情况影响拍摄的成像，在综合考虑顺光以及逆光的情况后，对原始的景象进行预处理。

利用Context Capture软件对建筑物进行实景三维建模的制作，Context Capture软件通过自动识别每张相片的相对位置和方向，充分校准所有图像，基于摄影测量原理，自动进行三维重建、纹理映射以及对捆绑关系和重建约束的重新处理，对高度重叠的影像进行空三加密、密集匹配等过程，可确保得到高度精确的模型。

此软件主要有三个部分，分别为Master、Engine、Viewer。

（1）Master界面可以导入影像、视频等数据，并且进行空中三角测量，即相当于前端操作界面；

（2）Engine模块可以对空三数据结果进行优化计算，形成精确的实景三维模型；

（3）Viewer是一个具有量测坐标、面积、距离等参数的浏览工具，与此同时，Viewer可以将实景三维模型显示为纹理模式、线框模式等。

2.1.1 影像选择

为确保倾斜摄影生成高精度的实景三维模型，影响质量的高低便显得尤为重要。在外业航摄过程中，要对拍摄情况进行监控，对于不符合要求的影像，如绝对漏洞以及严重遮挡的影像进行事后补测。补测设备以及各项参数要与原航摄设备一致。选取影像要求如下：

（1）在智能摆动拍摄的模式下，摄影倾斜角度要在45°左右，天气状况良好，能见度至少在3km以上，不得有大于1倍的阴影；

（2）影像的旁向覆盖范围至少超出测区边界的二分之一，航向覆盖率至少超过测区边界的一条基线；

（3）必须选取颜色饱和度高、色彩鲜明、清晰度高、反差适中、层次丰富、可以辨别出与设置的分辨率相适应的地面地物。

2.1.2 影像导入

在Context Capture软件中，新建工程Yijingliyuan，选择添加整个目录，共导入655张影像，设置传感器大小以及焦距等参数（如表2所示）:

表2 影像参数

表（2）中，X、Y为主点参数；K1、K2、K3、P1、P2为畸变参数。

2.1.3 空三加密及模型生成

空三加密是无人机倾斜摄影三维建模中主要的内业处理部分。从图像中提取大量特征点，同时对特征点进行优化迭代调整之后，使用点匹配和密集匹配技术一同执行相同名称点的匹配，最后进行失真校正以及其他步骤的迭代调整，通过获取方位角元素以及每个图像的确切空间位置和旋转角度，确定下一个3D重建的每个图像之间的投影关系。

基于Context Capture全自动三维实景建模软件，结合POS系统提供的外部方向元素和相机安装位置关系，可以模拟所有影像（包括倾斜影像）的表面投影范围，且对较为粗糙的影像采用精细金字塔匹配策略，以便在所有图像级别自动生成相同的名称点。可以匹配的自由净光束调整，以相同的名称获得更好的结果。

将空三加密后的结果图（如图1所示）切成网格大小为30m的规则平面，共切成70片瓦片。最后生成实景三维模型，地面分辨率为0.89cm至1.8cm（如图2所示）:

2.2 建筑物立面图的绘制

本实验基于Context Capture软件生成的府苑小区三维实景模型，将其生产的OSGB格式的三维模型数据转换为DSM格式数据，导入清华山维EPS 2008地理信息工作站（以下简称EPS）中。以EPS 2008数据库为核心，将属性与图形相结合。在测绘领域，其具有立面图绘制、控制测量、地形测量、数据转换等多种模式。

（1）将Context Capture软件生成的OSGB格式数据转换为EPS 2008特有的DSM数据格式。

（2）选择遮挡较少、模型较为完整的房屋，通过裁切模型，使EPS 2008软件的三维视图中只显示将要进行立面绘制的房屋，使用偏移工具以及矩形画图工具等，选择建筑物的南立面进行勾绘。在绘制立面图时，需要根据实景三维模型以及建筑物的纹理特点等进行绘制。当绘制立面图中门窗、阳台等类型时，角点的选择会出现细微偏移，这就需要绘制时将图片放大，根据房屋立面的整体布局选择比较统一的角点。本实验绘制右侧阳台门窗时，三维模型易受到小区内树木遮挡，因此对模型进行多次裁剪，选取恰当的视角。

（3）最终将EPS 2008中勾绘完毕的立面图导出为.dwg格式，并在CASS软件形成合格的、完整的立面图成果（如图3所示）:

图3 建筑物立面图

3.精度分析

建筑物立面图的精度评定包括立面图的平面精度、代表性线段精度，平面精度是基于实景三维模型，选取南立面的210个点进行检测，利用徕卡GS16接收机、徕卡TS09全站仪进行外业测量，将其得到的坐标值与利用Context Capture建立的实景三维模型中的坐标值进行对比，得到误差值。代表性线段精度的检测是利用EPS绘制立面图的长度与实地测量的代表性线段长度作比较。

3.1 平面精度评定

本次平面精度的检测选用210个检查点（如图4所示），利用式（4）、式（5）计算出各点位的差值，通过式（6）得到中误差值。测区检查点平面精度分析（如表3所示）:

图4 检查点分布图

表3 测区检查点平面精度分析 单位：m

由式（4）、式（5）、式（6）计算可得：平面坐标中误差是0.0273m，其中最大误差是0.0349m。

3.2 代表性线段精度分析

在研究区域共选取60条可量测线段，通过外业测量的实际长度与EPS立面图中量测长度进行对比。

筑物代表性线段的长度作为真值，将其与在EPS系统中量取的代表性线段长度数据进行分析比较。代表性线段精度对比（如表4所示）:

表4 代表性线段精度分析 单位：m

测区建筑物南立面的长度与高度精度统计结果：线段最大偏差值为0.0443m，最小偏差值为0.0020m，错误性测量为0个。

3.3 总体精度分析

在对建筑物立面图做出精确的评估之后，得到此栋建筑物南立面的平面坐标中误差为0.0273m，最大误差为0.0349m；代表性线段最大误差为0.0468m。从建筑物的平面精度以及代表性线段的精度来看，基于倾斜摄影的建筑物立面测量的方法完全可以大规模应用于各种生产任务，完全满足《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015-2012)中所制定的平原地区三维模型平面精度标准。

4.结束语

依据三维地理信息模型数据产品规范，1∶500、1∶1000 和1∶2000平原地区三维模型的平面精度要求分别为：0.3m、0.8m和1.4m，通过对生成的建筑物立面图进行精度评定，对比结果表明：建筑物立面图平面坐标中误差为0.0273m，最大误差为0.0349m；代表性线段的差值为0.0468m。因此，基于无人机倾斜摄影测量的建筑物立面图的精度完全符合《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015-2012)的要求，可进行大规模推广生产。