楊 崗

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000）

近年來無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)得到了快速發(fā)展，因其高時效、高精度、作業(yè)方便靈活等特點在城市規(guī)劃、礦山測量等方面得到了廣泛的應(yīng)用。相比于垂直攝影，其只能獲得地物的正射影像，而傾斜攝影測量可以獲取地物的側(cè)面圖像信息，通過建模軟件構(gòu)建出更加逼真并帶有空間位置信息的三維模型[1-4]。

本研究以大連理工大學(xué)山上禮堂為研究區(qū)域，利用大疆四旋翼無人機(jī)搭載單鏡頭相機(jī)對研究區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影，利用Context Capture 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過影像聯(lián)合平差、影響密集匹配、紋理映射等步驟建立三維模型，運(yùn)用中誤差對模型精度進(jìn)行分析，設(shè)置多組實驗研究不同飛行高度、不同控制點數(shù)量對模型精度的影響。驗證基于無人機(jī)傾斜攝影測量建立三維模型的可行性及可靠性。

1 無人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)獲取

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)域選取以大連理工大學(xué)山上禮堂為中心，形成150 m×200 m 的矩形區(qū)域，實驗區(qū)域內(nèi)包含建筑物、植被、地勢起伏可以更好地研究傾斜攝影測量的精度影響因素。本文的實驗?zāi)康氖茄芯匡w行高度和控制點數(shù)量對模型精度的影響，根據(jù)實驗?zāi)康暮蛯嶋H情況，本次試驗共設(shè)計六種飛行高度（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m）飛行試驗，航向和旁向重疊率均為80%。

1.2 實驗設(shè)備

試驗通過大疆公司研制的經(jīng)緯M300 RTK 四旋翼電動無人機(jī)進(jìn)行拍攝，并搭載大疆禪思H20 相機(jī)。

1.3 控制點施測

為了研究控制點數(shù)量對模型精度的影響，實驗共設(shè)置24 個控制點，根據(jù)控制點布控原則，首先在百度地圖上規(guī)劃控制點位置，借助規(guī)劃圖進(jìn)行現(xiàn)場布設(shè)控制點，控制點規(guī)劃圖，見圖1。采用1 m×1 m 的kt板，同時板上印刷黑白相間的圖案和標(biāo)號。采用蘇一光RTS 全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)測量。

圖1 控制點空間分布圖

1.4 傾斜影像獲取

為了構(gòu)建試驗區(qū)域的三維模型，并評估三維模型精度及單體建筑物的體積測量精度，設(shè)計六種飛行方案，無人機(jī)飛行高度分別為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m。對應(yīng)飛行參數(shù)，見表1。由于采用單鏡頭進(jìn)行傾斜攝影，需要進(jìn)行五次不同方向的飛行拍攝，包含一組正射影像和四組傾斜影像。

表1 飛行參數(shù)

1.5 三維模型構(gòu)建

本文通運(yùn)用Context Capture 軟件進(jìn)行傾影像處理，并建立三維模型。該軟件能夠簡單、高效的構(gòu)建出精密的三維模型[5-7]。ContextCapture 軟件模型處理流程，見圖2，本次試驗共進(jìn)行6 種不同飛行高度和3 種不同控制點的飛行試驗方案，共構(gòu)建了18 個三維模型。進(jìn)而生成三維點云、三維白膜、三角網(wǎng)和實景三維模型，見圖3。

圖2 三維建模處理流程圖

圖3 三維模型重構(gòu)過程成果

2 精度分析

本節(jié)對整體三維模型進(jìn)行平面精度分析和高程精度分析，試驗對于六種不同飛行高度分別選刺3、6、9 個控制點構(gòu)建模型，共構(gòu)建18 個三維模型。將模型中檢查點的三維坐標(biāo)與實際檢查點三維坐標(biāo)進(jìn)行差值比較，驗證其精度是否滿足相關(guān)精度規(guī)范要求。

2.1 精度評價方法及標(biāo)準(zhǔn)

中誤差是反應(yīng)誤差精度的重要指標(biāo)[8]，因此本章將中誤差作為三維模型精度評定的標(biāo)準(zhǔn)，公式如下：式中：m 為中誤差；n 為樣本個數(shù)；z 為測量值與真實值之差。

通過計算實測點坐標(biāo)與模型中坐標(biāo)的差值來評價三維模型的整體精度，參考國家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》[10]，見表2。地形精度主要表示地物在地形方面的精度，本文通過高程中誤差對模型高程精度進(jìn)行評價，見表3。

表2 平面精度規(guī)范

表3 地形精度規(guī)范

2.2 三維模型精度分析

飛行高度分別設(shè)置為為30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m，三維模型精度誤差情況，見圖4（a 為平面精度，b 為高程精度），當(dāng)飛行高度設(shè)置為為30 m 時，不同控制點數(shù)量對應(yīng)的平面中誤差 分 別 為0.048 m、0.032 m，0.027 m。高程中誤差分別為0.030 m、0.02 m、0.014 m。當(dāng)飛行高度設(shè)置為120 m 時，不同控制點數(shù)量對應(yīng)的平面中誤差分別為0.074 m、0.073 m、0.068 m，高程中誤差分別為0.102 m、0.064 m、0.059 m。

圖4 飛行高度對模型精度的影響

根據(jù)《平面精度規(guī)范》和《地形精度規(guī)范》，基于傾斜攝影測量的三維模型平面、高程精度滿足1：500 比例尺的精度要求，經(jīng)統(tǒng)計分析，隨著無人機(jī)飛行高度增大，三維模型平面和高程誤差均逐漸增大，精度逐步降低。由此得出，飛行高度與模型精度呈反比。

控制點數(shù)量分別為3 個、6 個、9 個，三維模型精度誤差, 見圖5（a 為平面精度，b 為高程精度），當(dāng)控制點數(shù)量為3 個時，不同飛行高度下（30 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、）構(gòu)建的模型平面中誤差分別為0.048 m、0.049 m、0.054m、0.059 m、0.070 m、0.074 m，高程中誤差分別為0.030 m、0.033 m、0.039 m、0.052 m、0.073 m、0.102 m，當(dāng)控制點數(shù)量為9 個時，不同飛行高度對應(yīng)的平面中誤差分別為0.027 m、0.036 m、0.049 m、0.053 m、0.067 m、0.068 m。

圖5 控制點數(shù)量對模型精度的影響

3 結(jié)論

通實驗驗證了基于無人機(jī)傾斜攝影測量的三維模型精度滿足《平面精度規(guī)范》和《地形精度規(guī)范》中1：500 比例尺的精度要求，可用于大比例尺數(shù)字測繪成果的生成，對不同飛行高度和不同控制點模型進(jìn)行了精度對比分析，驗證了基于無人機(jī)傾斜攝影測量的三維模型精度。并為實際工程應(yīng)用中飛行高度選擇、控制點數(shù)量設(shè)置提供了一定的技術(shù)參考，進(jìn)一步保障了傾斜攝影測量的可靠性和三維模型的精確性。