李 彪,閆 勇,楊化超 ,卞和方

(1. 山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272072； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

傳統(tǒng)航空攝影測量多采用基于單鏡頭的垂直攝影測量模式進(jìn)行航空數(shù)字影像采集，通常要求航攝相機(jī)的攝影主光軸近似鉛垂方向，以減小影像變形對后續(xù)數(shù)據(jù)處理的影響,尤其是空三匹配及密集匹配階段。垂直攝影測量的主要缺陷在于：

(1)近垂直攝影的航拍影像易受地物遮擋的影響；

(2)獲取的被攝目標(biāo)的紋理質(zhì)量不佳；

(3)從測量誤差理論的角度來講，用于交會定位的同名光線數(shù)量相對較少，從而難以獲得較高的三維空間定位精度，尤其是高程精度。

隨著影像匹配技術(shù)和相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，近年來傾斜攝影測量通過多鏡頭、多視角攝影模式克服了垂直攝影測量的上述3個主要缺陷。使常規(guī)的基于數(shù)字?jǐn)z影測量生產(chǎn)的數(shù)字產(chǎn)品(如數(shù)字正射影像圖(Digital Ortho Map，DOM)、數(shù)字線劃圖(Digital Linear Graph，DLG)及數(shù)字表面模型(Digital Surface Model，DSM)的可靠性和精度得到了較好的保障。如，基于傾斜攝影測量可以更好地構(gòu)建真正射影像(True DOM，TDOM)，可以獲得紋理細(xì)節(jié)更為豐富的高精度DSM(實景三維模型)，此外，傾斜攝影測量的發(fā)展也使得DLG的采集從傳統(tǒng)的立體測圖模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦先搜壑庇^感受的基于實景三維模型裸眼測圖模式。傾斜攝影測量已在國土空間規(guī)劃、不動產(chǎn)測量、數(shù)字城市等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-3]。

目前對于傾斜攝影測量三維模型構(gòu)建的研究較為豐富[4-10]，但對其精度的系統(tǒng)研究相對較少。文中結(jié)合實際數(shù)據(jù)，對比分析了常規(guī)豎直攝影測量相較于傾斜攝影測量的精度差異；分析了影像地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)對傾斜攝影測量精度的影響。為實際應(yīng)用提供理論和實踐參考。

1 無人機(jī)低空傾斜攝影測量精度分析

1.1 試驗區(qū)域和數(shù)據(jù)獲取概況

選擇高山區(qū)(測區(qū)A)、山區(qū)(測區(qū)B)和平原區(qū)域(測區(qū)C和測區(qū)D)進(jìn)行試驗分析，相關(guān)數(shù)據(jù)描述如下：

(1)測區(qū)A：測區(qū)內(nèi)高程變化范圍為300～830 m，面積約為10 km2，測區(qū)大部分地面坡度在25°以上，屬于高山地，外業(yè)航拍選擇固定翼無人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)，相機(jī)標(biāo)稱焦距為35 mm，影像大小為7 360×4 912像素，像素大小4.88 μm。影像的航向和旁向重疊度均設(shè)置為80%，平均GSD約為7 cm，共聯(lián)測了102個像控點。其中，選擇在測區(qū)內(nèi)均勻分布的32個點用于檢查點。

(2)測區(qū)B：為某采石場，面積約3.9 km2。測區(qū)高程變化范圍90～300 m，為山地地形。外業(yè)航拍采用電動固定翼無人機(jī)搭載五目傾斜相機(jī)，豎直鏡頭焦距24 mm，數(shù)量1個，傾斜鏡頭焦距35 mm，數(shù)量4個，像幅大小均為6 000×4 000像素，像素大小3.9 μm。航向和旁向重疊度均為80%，平均GSD約為5 cm，共施測了36個檢查點。

(3)測區(qū)C：為某礦區(qū)工業(yè)廣場，地形平坦，建筑物密集。面積約為0.3 km2，所用五目傾斜相機(jī)同測區(qū)B，航向和旁向重疊度均為80%，GSD約為3 cm，共聯(lián)測了13個檢查點。

(4)測區(qū)D：為平原地區(qū)某村莊，面積約0.06 km2，地勢平坦，房屋密集。外業(yè)航拍采用四旋翼飛行器搭載五目傾斜相機(jī)，所用五目相機(jī)同測區(qū)B，航向和旁向重疊均為80%，檢查點數(shù)量為9個。為滿足后續(xù)的精度分析，分別采集了2.0 cm、1.5 cm、1.2 cm和1.0 cm 4個不同GSD(不同航高)的傾斜影像數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對于測區(qū)A的單鏡頭豎直攝影測量數(shù)據(jù)，采用Inpho全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密，基于空三加密結(jié)果，利用航天遠(yuǎn)景MapMatrix軟件進(jìn)行立體測圖。為便于后續(xù)的精度對比分析，同時利用Context Capture(CC)進(jìn)行空三及三維模型生成。

對于測區(qū)B～測區(qū)D的傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，采用CC進(jìn)行空三及三維模型構(gòu)建。采用航天遠(yuǎn)景MapMatrix軟件進(jìn)行基于實景三維模型的裸眼測圖。各測區(qū)構(gòu)建的實景三維模型如圖1所示。

1.3 精度統(tǒng)計

1.3.1 單目相機(jī)兩種測圖模式精度統(tǒng)計

表1 基于立體測圖與實景三維模型的精度對比/cm

圖1 實景三維模型

(1)

(2)

式中，n為檢查點的個數(shù)；ΔXi、ΔYi和ΔZi為檢查點的實測結(jié)果和攝影測量方法計算結(jié)果的偏差。

1.3.2 單目與五目實景三維模型精度統(tǒng)計

對于測區(qū)B和測區(qū)C的實驗數(shù)據(jù)，分別采用單目正射鏡頭和五目傾斜鏡頭基于CC軟件構(gòu)建其實景三維模型，然后在MapMatrix裸眼立體測圖系統(tǒng)中按1.3.1節(jié)的方法分別統(tǒng)計36個檢查點的平面偏差和高程偏差。統(tǒng)計結(jié)果如圖2和圖3所示?；趫D2和圖3的統(tǒng)計結(jié)果，進(jìn)一步按式(1)和式(2)分別統(tǒng)計測區(qū)B和測區(qū)C的平面和高程中誤差及其相應(yīng)的最大值。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

圖2 檢查點基于兩種測圖模式的精度統(tǒng)計

圖3 測區(qū)B單目和五目實景三維模型精度對比

圖4 測區(qū)C單目和五目實景三維模型精度對比

1.3.3 GSD對傾斜攝影測量精度的影響分析

對測區(qū)D，基于不同GSD的實景三維模型按1.3.1節(jié)的方法分別統(tǒng)計9個檢查點平面和高程中誤差，為進(jìn)一步驗證其實際成圖精度，又采用全站儀分別實測了不同GSD對應(yīng)的實景三維模型的24個房角點(圖5)，并統(tǒng)計其平面和高程中誤差。

1.4 精度分析

表2 單目與五目實景三維模型的精度對比/cm

(1)攝影測量多光線前方交會的定位精度要顯著高于基于立體像對的同名光線交會定位精度。如表1所示，基于多光線構(gòu)建的實景三維模型，采用裸眼模式定位和分析檢查點精度，同傳統(tǒng)立體測圖模式相比，其平面和高程精度均提高了約10倍。

(2)基于五目相機(jī)的多光線前方交會定位精度較基于單目相機(jī)多光線前方交會定位精度亦有較為顯著的提高,如圖3、圖4和表2所示。如測區(qū)B，上述相應(yīng)的平面和高程精度分別從±6.36 cm和±12.23 cm提高到了±4.73 cm和±4.60 cm。

(3)基于傾斜攝影測量的成圖精度隨著GSD的不同有顯著變化。對于高精度的測量應(yīng)用而言(如不動產(chǎn)測量)，應(yīng)顧及這一變化的影響。如圖6給出了不同GSD對應(yīng)的精度影響規(guī)律。

圖5 實測的房角檢查點

圖6 不同GSD對應(yīng)的傾斜攝影測量精度統(tǒng)計

2 結(jié) 論

通過實際數(shù)據(jù)，定量對比分析了常規(guī)豎直攝影測量相較于傾斜攝影測量的精度差異，基于多旋翼低空傾斜攝影測量分析了不同影像地面分辨率對傾斜攝影測量精度的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為實際應(yīng)用提供理論和實踐參考。