王剛都，嚴(yán)亞敏

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710002）

0 引言

近幾年無人機(jī)低空傾斜攝影技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的的作業(yè)方式，該技術(shù)是運(yùn)用無人機(jī)低空多位鏡頭攝影同步獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)與GPS 輔助空中三角測(cè)量及計(jì)算機(jī)視角匹配技術(shù)，自動(dòng)生成三維地理信息模型，快速實(shí)現(xiàn)地理信息的獲取，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模;傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測(cè)影像數(shù)據(jù)，能同時(shí)輸出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多種成果。

在植被稀少或裸露地區(qū)，采用傾斜攝影測(cè)量建立三維實(shí)景模型測(cè)繪大比例尺地形圖技術(shù)已在許多測(cè)繪單位廣泛應(yīng)用；為了獲取工程坐標(biāo)系下高精度的三維實(shí)景模型，傾斜攝影測(cè)量外業(yè)需要布設(shè)一定密度的像控地標(biāo)點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)密度直接影響三維模型的精度，而目前還沒有國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)明確針對(duì)傾斜攝影測(cè)量的像控點(diǎn)密度的具體要求，行業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為遵循傳統(tǒng)航攝的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，這就使得無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的前景可能會(huì)受到一定的局限。而優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)的密度也關(guān)系到外業(yè)生產(chǎn)工作效率和勞動(dòng)強(qiáng)度。

本文根據(jù)CW-10C 無人機(jī)進(jìn)行低空傾斜攝影測(cè)量的工程實(shí)例，探討布設(shè)不同密度的像控點(diǎn)對(duì)三維建模的精度進(jìn)行測(cè)試分析和探討。

1 縱橫CW-10C 型無人機(jī)搭載五拼傾斜相機(jī)主要參數(shù)

縱橫CW-10C 型無人機(jī)系統(tǒng)由CW-10C 飛行平臺(tái)、飛控航電系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備（五品相機(jī)）、差分系統(tǒng)、后期軟件及附屬件等組成。CW-10C 最大起飛重量12 kg，任務(wù)荷載1 kg，最佳飛行空速20 m/s，最大飛行空速30 m/s，垂直起降、平飛動(dòng)力均為電動(dòng)，最大續(xù)航時(shí)間90 min，翼展2.6 m，機(jī)身長(zhǎng)度1.6 m，實(shí)用升限4000 m，抗風(fēng)能力5 級(jí)，搭載五組Sony ILCE-5100 鏡頭拼裝相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，其微單傳感器尺寸23.5 mm×15.6 mm，正射鏡頭焦距20.0 mm，像元大小3.90 μm，側(cè)向四鏡頭焦距35.0 mm，像元大小3.90 μm，圖像最高辨率6000×4000，單相片分辨率2430 萬像素，總像素1.2 億。

2 工程案例的應(yīng)用測(cè)試

2.1 案例一 榆林東線引黃工程神木供水支線

2.1.1 攝區(qū)概述

測(cè)區(qū)屬于黃土高塬溝壑地貌，攝區(qū)長(zhǎng)約5.6 km，寬約1.2 km，最低點(diǎn)海拔980 m，最高點(diǎn)海拔1250 m，測(cè)區(qū)地形起伏大，最大高差270 m。起飛點(diǎn)海拔為1100 m，飛行相對(duì)航高300 m，規(guī)劃航線10 條、航線間距140 m，基線長(zhǎng)度50 m，總長(zhǎng)度66 km，航向重疊率75%，旁向重疊率65%，最低點(diǎn)分辨率為0.08 m，飛行面積為6.72 km2。

2.1.2 像控布設(shè)

攝區(qū)像控密度在航向、旁向均按400 m 間距布設(shè)，地面像控點(diǎn)做“十”形狀地標(biāo)，其航跡及像控點(diǎn)布設(shè)見圖1。布設(shè)像控地標(biāo)點(diǎn)40 個(gè)，像控地標(biāo)檢查點(diǎn)11 個(gè)，采集地形高程點(diǎn)29 個(gè)。

圖1 航跡、像控點(diǎn)示意圖

2.1.3 測(cè)試方案

室內(nèi)采用Context Capture（Smart 3D）軟件進(jìn)行空三及建模時(shí)，像控密度選取為：

a）按航向、旁向400 m 的間距選取像控點(diǎn)數(shù)量為53 個(gè)，編號(hào)為 PG12、PG13、…、PG63、PG64；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的間距選取像控點(diǎn)數(shù)量為20 個(gè)，編號(hào)為 PG12、PG14、PG19、PG20、PG23、PG24、PG26、PG31、PG33、PG34、PG39、PG40、PG43、PG46、PG52、PG53、PG56、PG58、PG61、PG64 等 20 個(gè)；

c）按航向1200 m 間距、旁向800 m 間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編號(hào)為 PG12、PG15、PG19、PG22、PG29、PG32、PG34、PG40、PG45、PG50、PG55、PG61、PG64 等 13 個(gè)；

d）按航向、旁向1200 m 間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編號(hào)為PG12、PG15、PG19、PG29、PG34、PG40、PG47、PG50、PG61、PG64 等 10個(gè)；

分別采用按上述四種像控選取密度方案的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)、5方向的影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行空三加密及三維建模，獲取4 種三維實(shí)景模型。

2.1.4 測(cè)試精度評(píng)定

采用對(duì)比分析法計(jì)算統(tǒng)計(jì)不同像控點(diǎn)數(shù)量對(duì)三維模型精度的影響。分別在四種像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)建立的三維模型上量測(cè)了像控檢查地標(biāo)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，與實(shí)測(cè)值比較計(jì)算得坐標(biāo)和高程較差，計(jì)算地標(biāo)點(diǎn)的平面位置和高程中誤差，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

同時(shí)根據(jù)采集29 個(gè)地形點(diǎn)在三維模型上的位置量測(cè)了地形點(diǎn)的高程，與實(shí)測(cè)值比較計(jì)算得高程較差，并計(jì)算地形點(diǎn)的高程中誤差，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 神木支線項(xiàng)目像控檢查點(diǎn)精度測(cè)試的統(tǒng)計(jì)表

從表1 統(tǒng)計(jì)表中看出:

a）航向、旁向像控間距為400 m 的三維模型測(cè)試精度最優(yōu)，其它次之；

b）航向、旁向像控間距為800 m～1000 m 三維模型地標(biāo)檢查點(diǎn)高程、以及高程注記點(diǎn)的測(cè)試精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求；

c）航向1200 m、旁向像控間距為800 m 的三維模型地標(biāo)檢查點(diǎn)高程、以及高程注記點(diǎn)的測(cè)試精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求，但有1 個(gè)像控檢查點(diǎn)高程較差＞0.5 m；

d）航向、旁向像控間距為1200 m 的三維模型地標(biāo)檢查點(diǎn)高程、以及高程注記點(diǎn)的測(cè)試精度超過規(guī)范規(guī)定的高程注記點(diǎn)≤1/3 h（h 取 1.0 m）精度要求。

e）說明在本地形起伏大測(cè)試攝區(qū)，4 種像控點(diǎn)密度下傾斜攝影測(cè)量建立的三維實(shí)景模型采集的高程精度有較大差異。

2.2 案例二 麟游天堂工業(yè)園區(qū)供水項(xiàng)目

（1）攝區(qū)概述

測(cè)區(qū)長(zhǎng)約2.4 km，寬約1.6 km，地形為北高南低坡地，最低點(diǎn)海拔900 m，最高點(diǎn)海拔1100 m，測(cè)區(qū)高差200 m，起飛點(diǎn)海拔為840 m，飛行相對(duì)航高300 m，飛行面積為3.8 km2，規(guī)劃航線總長(zhǎng)度為68 km，16 條航線，航線間距120 m，基線長(zhǎng)度60 m，航向重疊率75%，旁向重疊率65%，最低點(diǎn)分辨率為0.07 m。

（2）像控布設(shè)

測(cè)區(qū)像控布設(shè)密度航向、旁向均按照400m 間距布設(shè)，共布設(shè)像控地標(biāo)點(diǎn)35 個(gè)，航跡與像控地標(biāo)點(diǎn)見圖2。

圖2 航跡、像控地標(biāo)點(diǎn)圖

（3）測(cè)試方案

室內(nèi)采用Context Capture（Smart 3D）軟件進(jìn)行空三及建模時(shí)，像控密度選取為：

a）按航向、旁向400 m 的間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編號(hào)為SPG01、SPG02、…、SPG34、SPG35 等 35 個(gè)；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編 號(hào) 為 SPG02、SPG04、SPG10、SPG12、SPG18、SPG20、SPG24、SPG25、SPG28、SPG29、SPG31、SPG33、SPG34 等 13 個(gè)；其余 22個(gè)作為檢查點(diǎn)；

c）按航向1200 m 間距、旁向800 m 間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編 號(hào) 為 SPG02、SPG04、SPG14、SPG16、SPG26、SPG28、SPG29、SPG32、SPG34 等 9 個(gè)；其余 26 個(gè)作為檢查點(diǎn)；

d）按航向、旁向1200 m 間距選取像控點(diǎn)數(shù)量，編號(hào)為SPG01、SPG04、SPG13、SPG16、SPG25、SPG28 等 6 個(gè)；其余 29個(gè)作為檢查點(diǎn)。

分別采用按上述四種像控選取密度方案的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，在Context Capture（Smart 3D）軟件下進(jìn)行空三加密及三維建模，獲取三維實(shí)景模型。

（4）測(cè)試精度評(píng)定

采用對(duì)比分析法計(jì)算統(tǒng)計(jì)不同像控點(diǎn)數(shù)量對(duì)三維模型精度的影響。分別在四種像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)建立的三維模型上量測(cè)了像控檢查點(diǎn)地標(biāo)的平面坐標(biāo)和高程，與實(shí)測(cè)值比較計(jì)算得坐標(biāo)和高程較差，并計(jì)算地標(biāo)點(diǎn)的平面位置和高程中誤差，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 麟游供水項(xiàng)目像控檢查點(diǎn)精度測(cè)試的統(tǒng)計(jì)表 單位：m

從表2 中看出，該攝區(qū)為地形起伏小的坡地，4 種像控密度下傾斜攝影測(cè)量建立的三維實(shí)景模型采集的高程精度也有較大差異，即：

a）當(dāng)航向、旁向像控間距為400 m 的三維模型測(cè)試精度最優(yōu)，航向、旁向像控間距為800 m～1000 m 以及航向1200 m、旁向像控間距為800 m 的2 種三維模型測(cè)試精度也滿足高程注記點(diǎn)精度≤1/4 h（h 取1.0 m）要求；

b）當(dāng)航向、旁向像控間距為1200 m 的三維模型測(cè)試精度的三維模型測(cè)試精度達(dá)到高程注記點(diǎn)精度為1/4 h（h 取1.0 m）的限差值；

c）航向、旁向1200 m 間距選取像控點(diǎn)獲取三維實(shí)景模型上，SPG29、SPG30、SPG31、SPG32、SPG33、SPG34、SPG35 等 7 像控地標(biāo)檢查點(diǎn)超出參與空三加密的像控地標(biāo)點(diǎn)范圍之外，其在三維模型上采集的坐標(biāo)和高程與GPS-RTK 實(shí)測(cè)值的較差統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 三維模型采集與實(shí)測(cè)值的較差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過2 個(gè)不同工程攝區(qū)案例布設(shè)不同密度像控點(diǎn)對(duì)三維模型精度測(cè)試與精度檢測(cè)、分析研究認(rèn)為：

1）像控點(diǎn)的布設(shè)密度直接影響三維模型的精度，特別是對(duì)三維實(shí)景模型高程精度的影響，像控密度越大，模型精度高，像控密度越小，模型精度低，因此，合理的密度視保證模型精度的基礎(chǔ)條件之一。

2）針對(duì)CW-10 無人機(jī)搭載五個(gè)Sony ILCE-5100 鏡頭拼裝相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量時(shí)，建議像控布設(shè)密度按航向、旁向在800 m～1000 m 布設(shè)，可以滿足1∶1000 地形圖高程等高距為h=1.0 m 的高程精度要求。

3）航攝前地面做像控點(diǎn)“十”或“L”形狀地標(biāo)，精度較好。

4）攝區(qū)布設(shè)的外圍（四周）像控地標(biāo)點(diǎn)連線之外的三維模型平面和高程的精度難于保證，像控地標(biāo)點(diǎn)的連線應(yīng)大于測(cè)圖范圍。