基于免像控的公路倾斜摄影模型精度分析

曾庆桓

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430000)

免像控能有效减轻外业工作的繁琐程度，但具有实景模型精度较低的缺点。公路的实景建模在国内外屡见不鲜，但受制于路上车辆的影响，且公路“带”状特点极其明显，实现高精度免像控技术尤为艰难。因此急需一种通用方法完成“带”状构筑物的高精度免像控实景建模。

一、实景三维重建技术

（一）航测基本原理

通过无人机航测获得序列像片，筛选所获得的影像并剔除基线过长的像片，如式1所示，在空中还原样片平面中的点，如式2所示，然后通过多张像片的空三匹配可得到网格模型。

其中，B为基线长度；Lx为像片宽度；m为平均像元的地面影像分辨率；q为航向重叠度

（二）单镜头无人机高效影像采集关键技术

传统单镜无人机航拍受软件规划限制，利用五视(前视、后视、左视、右视、下视)拍摄原则通常需要执行5个飞行任务。相比五镜头无人机采集效率低且受电池运行时长影响较大的缺点，研究发现单镜头无人机多圆区域环飞方式通过设置单圆拍摄数量n和相邻圆重叠率p及相机角度q，能有效改善传统单镜头影像采集效率，以少数影片从多视角方向获取地面的丰富数据。

（三）顾及曝光延迟的区域网平差技术

要实现免像控的基本原则需要控制像片偏移、曝光延迟、漂移等会影像平差算法的因素，因此需要建立顾及曝光延迟区域网平差模型来适应经济型单镜头无人机，而传统光束法局限于高端无人机配置问题，经济性较差。

二、实验方案测区

（一）试验区及设备介绍

以某学校的主干道路为例，测区长度700m、宽度为12.5m，道路的两侧分布了人工湖，在一定程度上符合公路周边分布特点。航测设备为大疆精灵4RTK，分别以两种形式来完成测区道路的实景建模。之后通过验证道路中心线、检查点中误差、地面影像分辨率，论证2种形式的精度，用于实际项目的应用模式论证。

（二）试验流程及参数介绍

在测区分别执行传统五架次和环绕航线规划任务。

传统五架次：通过设置飞控参数对所拍摄区域（前视、后视、左视、右视、下视）取景往往存在一些问题。例如，由于采用的设备是经济型无人机，飞行时间受规范限制。在正射任务完成后，执行4个角度的倾斜拍摄。飞行设置参数分别为航向重叠率70%、旁向重叠率60%、航高120m、倾斜角45°。

区域环飞：能快速减少无人机拍摄的照片，同时不失质量地完成目标物重建工作。与传统五架次相比能缩短时间，有效避免数据量的沉余。区域环飞可通过设置圆半径和方向数完成重叠区域的航线规划。参数为航高120m、圆半径78m、倾斜角45°、单圆方向数30，即以单圆圆心为对焦点，绕圆拍摄的照片以45°倾斜向下取景。

（三）试验结果对比

1.采集数据对比

通过五架次和区域环飞采集方式的数据对比可知，区域环飞的飞行时长比五架次节省39.5%，覆盖面积更大，且采集照片数量少于五架次，地面影像分辨率为3.5cm/pix。

2.免像控精度误差分析

通过TIN网格模型找到检查点点位分析中误差，分析结果如表1和表2所示。其中代表区域环飞的点位。通过计算可知中误差小于

表1 五架次检查点中误差分析表

表2 区域环飞检查点中误差分析表

3.试验小结

在飞行时间效率上区域环飞方式节省了39.5%的时间，均采用了免像控的方式建模，对比检查点的中误差、空间偏移值都符合高精度的实景建模精度。数据对比发现，区域环飞的方式针对“带状”特点的构筑物具有明显优势，且能有效提高照片的利用率，从而使免像控的方式能够普遍应用。

三、实际项目应用

（一）数据采集区域介绍

以某山区高速公路为主体，其包含2个高速互通区域，全线长9.7km，高度落差最大为35m。由于公路相对于房屋建筑属于“带状”构筑物，倾斜摄影建模难道较大。建模目的是，为新路老路互通导改的BIM项目建立实景三维模型，高精度的实景道路模型可借助模型经纬坐标实现BIM模型的基准定位，且能补充周边环境模型，从而有助于BIM项目进一步推进实现“BIM+GIS”平台融合。

（二）采集方案比选

公路多为带状构筑物，长度长且宽度窄。在航线设计时，可能导致重叠度指标过大，前方交汇点坐标的高程误差增加，从而降低平面精度。环绕弧形交叉航线，需要先剔除基线过短的情况，避免高程失锁，从而弥补传统五架次飞行的缺点，在一定程度上可以提高拍照效率。

（三）数据采集与处理

采集设备为前期试验设备大疆精灵4RTK，设置环绕参数为航高120m、圆半径108m、倾斜角45°、单圆方向数30，采集照片数量为4234张，剔除基线过短及曝光严重的照片108张，照片的有效使用率为97.4%。采集完成后使用ContextCapture重建。

经过镜头调参、平差选择、空中三角测量计算、生成网格、纹理映射等一些列操作得到实景三维模型。

（四）精度校核

使用检查点校核实景模型精度和中误差精度，同时计算整体地面影像分辨率，可得22个检查点3个方向的中误差分别为0.038m、0.037m、0.043m，地面影像分辨率为4.5cm/pix，可满足山地测图比例1：500的规范标准。

四、结语

本文研究了“带”状构筑物免像控实景建模方法，通过顾及曝光延迟的区域网平差技术作为免像控的基础，在此基础之上提出针对“带”状构筑的区域环飞方式。通过对比试验区五架次航拍和区域环飞航拍，分析出区域环飞能够有效提高照片采集效率及利用率，以少数且高质量的照片完成免像控的实景建模。利用区域环飞的方式解决了实际项目 “带”状构筑物的免像控实景建模，为“带”状构筑物实景建模提供了研究基础。