成樞，程旭明，桑澤磊，鄧尚奇

（山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院，山東 青島 266650）

0 引言

隨著現(xiàn)代無人機與數(shù)字相機技術(shù)的融合與發(fā)展，無人機攝影測量被廣泛地應(yīng)用到了國家重點工程建設(shè)、自然災(zāi)害的應(yīng)急處理、國土監(jiān)察和智慧城市建設(shè)等各個方面。于麗麗針對傳統(tǒng)的三維建模方式所存在的施工周期較長、造價成本較高、精確性差等缺陷，運用無人機傾斜式攝影測量對整個城市進行三維建模，為“智慧城市”建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐[1]。李興久通過對三維建模的精度進行分析和研究，結(jié)果表明，所生產(chǎn)的三維實景模型和空三幾何精度均滿足相關(guān)規(guī)范要求[2]。嚴孝云利用GPS-RTK進行現(xiàn)場測量，對模型進行幾何精度評定，驗證了傾斜攝影測量技術(shù)用于高精度城市三維實景建模的可行性[3]。

1 項目簡介

項目觀測區(qū)位于濰坊高新區(qū)某棟別墅群，地理位置優(yōu)越，距離市中心大約20公里。采用的飛行平臺是云影C200型電動垂直起降固定翼無人機系統(tǒng)，其既具有四個螺旋翼起降無人機的電動垂直飛行起降傳動功能，又具備固定翼無人機具有的航行時間長、航行速度快、航行距離遠的優(yōu)點，同時無需跑道或彈射架，該飛行平臺可以在90km/h的速度下連續(xù)航行1.5小時。本次航攝作業(yè)區(qū)飛行高度設(shè)置為128米，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，航線間距36米，拍照間距16米，對測區(qū)進行了正射影像采集，并根據(jù)航攝作業(yè)區(qū)情況，在航攝作業(yè)區(qū)共布設(shè)像控點16個，并對每一個像控點進行控制點測量，便于后期刺點時需要。

2 傾斜攝影空三技術(shù)

傾斜攝影空三處理流程主要包括以下四個方面，分別是建立影像拓撲關(guān)系、影像特征點提取、影像匹配和光束法區(qū)域網(wǎng)平差，最后輸出空三結(jié)果[4]。

2.1 建立影像拓撲關(guān)系

傾斜式攝影測量技術(shù)可以拍到五組影像，除了一般的垂直影像外還可以獲取前視、后看、左視及右眼四組影像，除了垂直式的影像外，其它四組都是傾斜式的影像，這樣能很好地避免立面遮擋的問題。同時，攝影測量系統(tǒng)利用動態(tài)全球定位系統(tǒng)定位技術(shù)精確測定攝站空間位置，利用慣性測量裝置測定攝影瞬間傳感器姿態(tài)，通過精確時鐘將兩者結(jié)合起來以確定航片的方位，這些可以提供外部方位元素，建立出兩組影像之間的相對位置關(guān)系[5]。

2.2 影像特征點提取

由于SIFT算法在傾斜影像特征提取方面具有很好的效果，所以影像特征點提取一般采用SIFT算法。但是在提取之前，算法中還需加入相機畸變參數(shù)、影像色差等影響因素，從而能更加有效的提取特征點。

2.3 影像匹配

影像匹配的目的是識別多視角的傾斜影像中同名點的過程。一邊獲得地物的三維特征信息并形成密集匹配點云數(shù)據(jù)[6]。傾斜影像匹配通常利用基于特征的影像匹配算法，按照影像中需要進行匹配的像點的相對數(shù)目，影像匹配可分為稀疏匹配和稠密匹配兩類。

2.4 光束法區(qū)域網(wǎng)平差

利用POS數(shù)據(jù)作為輔助并進行系統(tǒng)平差，以外業(yè)航測像控點測量坐標、相片像點坐標、GNSS攝站坐標和慣性測量單元（IMU）姿態(tài)角為觀測值，以物點的地面坐標、圖像外部方位等元素以及其他各種系統(tǒng)的誤差修正參數(shù)作為待確認的參數(shù)，按照像控點坐標、POS系統(tǒng)等所提供的GNSS攝站坐標和慣性測量單元（IMU）姿態(tài)角的測量精度，分別給予觀測值不同的權(quán)，利用最小二乘平差法來求解地物點的三維坐標和外方位元素的最或然值[7-9]。

3 三維建模與精度分析

3.1 三維建模

本次項目中采用contextcapture軟件對無人機作業(yè)區(qū)進行三維建模，首先導(dǎo)入無人機作業(yè)區(qū)的攝影測量所獲得的照片，并在作業(yè)區(qū)內(nèi)進行了空三檢查，刺點，區(qū)域網(wǎng)內(nèi)部平差等多個步驟后，對航攝作業(yè)區(qū)內(nèi)部進行二次空三測量運算，最終取得該無人機作業(yè)區(qū)的空三測量成果，如圖1所示。在建模開始之前，必須進行建模參數(shù)設(shè)置，并在建模時設(shè)置坐標系，以及進行地理坐標（大坐標）的像控點刺點工作。在選擇好相對應(yīng)坐標系，并選擇“規(guī)則區(qū)域分塊”，設(shè)置好分塊大小，每個塊應(yīng)不大于電腦單個內(nèi)存條大小，最后設(shè)置所需生產(chǎn)模型的范圍。最后以空三成果作為主要數(shù)據(jù)源生成實景三維模型，選擇模型格式為“OSGB”，質(zhì)量選擇100%，其他默認即可；選擇模型生成坐標系，和之前坐標系對應(yīng)一致即可。為能夠?qū)崿F(xiàn)快速處理該作業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)，將航攝作業(yè)區(qū)分割成多個模型單元進行處理，并進行紋理匹配和影像正射，最終生成該航攝作業(yè)區(qū)的實景三維模型（見圖2）。

圖1 空三加密成果

圖2 航攝作業(yè)區(qū)三維模型

3.2 模型精度分析

在航攝作業(yè)區(qū)選取8個特征點作為檢查點，同時在三維模型上量取相對應(yīng)點的坐標。通過對比實地測量值和軟件上的真實量測值，獲得了二維平面和高程三個方向上的中誤差，計算三維模型三個方向中誤差的計算公式為：

平面中誤差計算公式為：

式中，為真誤差，n為檢查點的個數(shù)。

檢查結(jié)果見表1。

由表1可知：x方向的最大誤差由計算的結(jié)果可知為2.2cm，中誤差由計算可知為1.2cm；y方向最大誤差由計算的結(jié)果可知為1.5cm，中誤差由計算可知為0.9cm；高程最大誤差由計算的結(jié)果可知為2.0cm，中誤差由計算可知為1.1cm；平面最大誤差由計算的結(jié)果可知為2.7cm，最小誤差為0.4cm，中誤差由計算可知為1.3cm。結(jié)果表明，本次三維重建模型精度較高，且符合精度要求。

表1 三維模型檢查點精度統(tǒng)計（單位：cm）

4 結(jié)語

本文通過利用傾斜式攝影測量系統(tǒng)對濰坊市某一處別墅群進行了實測并制作出了一個實景三維建模模型，系統(tǒng)地闡述了該項無人機傾斜攝影系統(tǒng)在城市三維建模中應(yīng)用的具體流程，并將建模結(jié)果進行分析比較后發(fā)現(xiàn)，無人機傾斜攝影測量能夠有效構(gòu)建一個實景三維仿真模型并且成圖精度能夠滿足需要。該方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，能夠有效提升成圖效率，大大降低勞動成本，提高工作質(zhì)量。