薛 雷，鄧連生，張國武，張云飛，田金澤

(湖北理工學院 電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003)

近年來，智慧城市基礎建設“實景三維中國建設”項目全面啟動。隨著實景三維模型構建事業(yè)迅速發(fā)展，業(yè)內(nèi)對地物三維模型在實際應用場景中的質(zhì)量要求也越來越高，全自動精細化實景三維模型構建成為遙感和計算機視覺領域研究的熱點之一[1]。目前，實景三維數(shù)字模型構建方法主要以下有4種。①基于二維數(shù)據(jù)的三維建模。該方法雖然節(jié)約生產(chǎn)成本，但時間周期長、模型整體精度低、后期處理工作繁雜。②基于三維激光掃描的三維建模。該方法雖然不受自然環(huán)境條件限制，但工作量較大。③航空攝影測量技術建模。該方法雖然精度和處理速度可以滿足實際作業(yè)要求，但數(shù)據(jù)獲取的成本較高，需要解決視角限制等問題。④傾斜攝影測量建模。該方法利用無人機傾斜攝影測量技術獲取影像，可以較好地提高三維模型的真實度、精度以及建模效率，具有作業(yè)高效、成本低等眾多優(yōu)勢[2]。

無人機傾斜攝影測量技術打破了傳統(tǒng)攝影測量只能搭載單相機從垂直角度拍攝獲取數(shù)據(jù)的局限性，可以利用多臺傳感器(搭載多臺相機)從不同角度獲取地物的三維數(shù)據(jù)，進而更加直觀、真實地反應實景地物的真實面貌和紋理。另一方面，該技術借助無人機作業(yè)的全自動模式，可以大大提高人工效率，縮短作業(yè)時間，把原本大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)工作，降低了外業(yè)勞動強度[3]。無人機傾斜攝影測量技術使地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)過程更為快速和簡便。與人工作業(yè)相比，其高度自動化的操作模式在構建三維數(shù)字模型上有著高性價比、高精度、高效率的優(yōu)勢，可以廣泛滿足各行業(yè)的應用需求。

以湖北理工學院醫(yī)學院教學樓及周邊區(qū)域為例，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，利用無人機傾斜攝影測量技術構建該區(qū)域的實景三維模型，并對模型結果進行精度驗證。在此基礎上，探討模型建立過程中由于外業(yè)自然環(huán)境、內(nèi)業(yè)處理流程等因素可能引起的結果變化，為實景三維模型的構建提供參考。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是借助航測系統(tǒng)獲取目標地物位置及姿態(tài)信息的一門技術[2]。無人機傾斜攝影三維建模技術流程如圖1所示，其主要步驟如下。

圖1 無人機傾斜攝影三維建模技術流程

1)通過計算機操控搭載高分辨率航測攝影設備的無人機，使其在規(guī)定的航線上同時從5個不同的角度(1個垂直、4個傾斜)獲取目標物的高分辨率遙感影像。

2)通過多視影像的地表地物的同名點坐標實現(xiàn)密集匹配，生成密集點云，并在此基礎上對不規(guī)則三角網(wǎng)進行構建。

3)借助數(shù)據(jù)處理軟件利用影像數(shù)據(jù)等實現(xiàn)三維重建。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 測區(qū)概況

原始影像數(shù)據(jù)獲取測區(qū)為湖北理工學院醫(yī)學院教學樓，是湖北理工學院校園內(nèi)較大的獨立建筑之一，鄰近湖北理工學院西門體育場，總占地面積約為5.8×104m2。測區(qū)地形基本無起伏、建筑單一、植被較少、人流量較小。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

在理想環(huán)境條件下對目標進行拍攝，獲取有價值的原始影像資料。利用南方測繪·天鴻-T610六旋翼無人機搭載五鏡頭傳感器，獲取湖北理工學院醫(yī)學院主樓及周邊小范圍航片數(shù)據(jù)。飛行按作業(yè)需求設定有效參數(shù)為：航向重疊度82%，旁向重疊度78%，飛行高度100 m，飛行速度8.5 km/h。選取主樓拐角、井蓋中心等10個控制點備用，并在其中一點架設基準站，利用GPS接收機進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)預處理階段

外業(yè)獲取實地航拍影像后，需要對影像數(shù)據(jù)進行預處理，包括檢查數(shù)據(jù)是否有缺失、是否符合作業(yè)標準和攝站坐標預處理等。首先，檢查外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)(影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù))是否有明顯缺失，確定無誤后打開影像數(shù)據(jù)檢查其屬性信息中曝光率等指標是否達到作業(yè)要求。然后，利用GPS輔助空中三角測量原理對攝站坐標進行預處理，即對地面RTK接收機獲取的GPS數(shù)據(jù)和無人機在拍攝點獲取的攝站坐標信息進行平差處理，解算得到高精度的加密點三維坐標[4]。攝站坐標預處理是利用安裝在無人機上的傳感器和地面架設的基站接收同步且連續(xù)的GPS衛(wèi)星信號，通過GPS載波相位測量差分定位技術數(shù)據(jù)處理后，獲取曝光時刻攝站的三維坐標進行空三解算。部分攝站點坐標GPS輔助平差結果見表1。

表1 部分攝站點坐標GPS輔助平差結果

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理階段

經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)的初步檢核和預處理后，對其進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理,包括空中三角測量處理和三維數(shù)字模型構建兩部分。解析空中三角測量是合理地利用較少的控制點來計算大量的地面控制點(定向點)，最終獲取測區(qū)中所有影像的外方位元素和待定點的測量坐標，主要方法有獨立模型法、光束法區(qū)域網(wǎng)等[5]。本文通過利用GPS輔助空三加密技術，改變了傳統(tǒng)攝影測量先航攝、后外業(yè)像控測量、再空中三角測量加密的作業(yè)流程，減少了工序，降低了工作環(huán)境要求，提高了工作效率且保證了測量精度。原始數(shù)據(jù)空三處理信息和空三處理結果質(zhì)量概述分別見表2和表3。

表2 原始數(shù)據(jù)空三處理信息

表3 空三處理結果質(zhì)量概述

在完成空三解算后，通過分析相關參數(shù)，對其結果進行合格性檢驗。由于無人機搭載的光學相機傳感器會出現(xiàn)鏡頭畸變，影響空中三角測量匹配點精度，所以需控制重投影均方根誤差在1 p以內(nèi)，以確保最后生成的模型在精度上符合要求。生成連接點的質(zhì)量度量指標見表4。由表4可知，本次空三處理結果重投影均方根誤差為0.58 p，滿足精度要求。

表4 生成連接點的質(zhì)量度量指標

位置不確定性表示空間實體的真實位置與實際位置之間的差別[6]?？杖幚斫Y果連接點和影像位置不確定性分別如圖2和圖3所示。

(a) 頂視圖 (b) 側視圖 (c) 前視圖

(a) 頂視圖 (b) 側視圖 (c) 前視圖

由圖2可知，最小不確定性為0.000 6 m，最大不確定性為0.357 6 m，中位位置不確定性為0.015 6 m。圖3中黑點為計算出的影像位置，藍色橢圓表示位置不確定性，為了便于理解進行了縮放。

通過以上參數(shù)確定空中三角測量結果精度符合要求，進而可以進行三維建模處理，即利用已有的點云數(shù)據(jù)在Context Capture中進行三維模型生產(chǎn)，通過空中三角測量解算結果，采用多視影像匹配技術構建不規(guī)則三角網(wǎng)，最終進行紋理映射[7]。在三維模型生產(chǎn)時設置參數(shù)精度為超高(最高級別)，輸出坐標系為CGCS2000投影坐標系?？紤]研究區(qū)域地形較為平坦，結合計算機性能將切塊模式設置為規(guī)則平面網(wǎng)格，并分為225個瓦片。三維模型效果如圖4所示。

(a) 整體效果 (b) 局部放大-1 (c) 局部放大-2

由圖4可知，基于無人機傾斜攝影技術得到的湖北理工學院醫(yī)學院教學樓三維模型可以立體、真實、完整地表達其實景建筑特征，且模型的細節(jié)層次清晰。

4 模型精度驗證

為了保證模型的可靠性，對三維模型結果進行精度驗證。以各方向及平面的中誤差作為精度評價指標，公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中，Mx，My，Mz，M分別為X，Y，Z方向的中誤差和平面的中誤差；n為檢算值數(shù)目。

通過影像位置的不確定性計算出影像位置與實測坐標之間的差值Δx，Δy，Δz，進而進行結果精度的分析與研究。影像位置與實測坐標之間的差值見表5。將表5中的數(shù)據(jù)代入式(1)～(4)，計算可得：

表5 影像位置與實測坐標之間的差值 m

Mx=0.0097 m，My=0.0087 m，Mz=0.0080 m，M=0.0131 m。

通過以上分析可知，X方向的最大誤差為0.016 8 m，中誤差為0.009 7 m；Y方向的最大誤差為0.015 1 m，中誤差為0.008 7 m；Z方向的最大誤差為0.013 8 m，中誤差為0.008 0 m；平面的最大誤差為0.022 5 m，最小誤差為0.000 4 m，中誤差為0.013 1 m。通過無人機傾斜攝影技術搭建目標區(qū)域的三維模型精度較高，達到了《城市三維建模技術規(guī)范》(CJJ/T 157—2010)的相關標準。

5 結論

1)基于無人機傾斜攝影測量技術，借助Context Capture 軟件構建的三維模型與真實的建筑物有著高度的一致性，其精度符合規(guī)范要求，驗證了無人機傾斜攝影測量技術構建三維模型的可行性。

2)GPS輔助空中三角測量技術實行動態(tài)平差，較傳統(tǒng)控制點測量的精度更高，處理更為簡單有效，驗證了GPS輔助空三加密技術處理的優(yōu)勢性。

3)三維模型X，Y，Z方向最大誤差分別為0.016 8 m，0.015 1 m，0.013 8 m，達到了《城市三維建模技術規(guī)范》(CJJ/T 157—2010)的相關標準，驗證了其在構建三維模型中的可靠性。