摘要：為了兼顧測(cè)繪外業(yè)作業(yè)效率與成果質(zhì)量，同時(shí)也為了給數(shù)字孿生工程賦能，提供可視化效果好、精度高且輕量的三維實(shí)景模型，以湖北省襄陽(yáng)市漢江崔家營(yíng)航電樞紐工程為研究對(duì)象，從數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、模型精度等方面對(duì)3種不同作業(yè)模式下無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量生產(chǎn)的三維實(shí)景模型的建模效率與模型質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：① 無(wú)人機(jī)下視單目鏡頭攝影測(cè)量方式建模兼顧了作業(yè)效率與成果質(zhì)量，符合傳統(tǒng)測(cè)繪生產(chǎn)單位的生產(chǎn)需求，但是模型可視化效果較差；② 云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量方式建模模型可視化效果較好、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較低、精度高，符合數(shù)字孿生工程數(shù)據(jù)底板的需求；③ 傾斜攝影測(cè)量方式建模模型可視化效果較好、精度高，但是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大且內(nèi)業(yè)處理時(shí)間長(zhǎng)。經(jīng)綜合比較分析，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量為最優(yōu)選擇。

關(guān)鍵詞：三維實(shí)景模型； 數(shù)據(jù)采集； 模型構(gòu)建； 模型精度； 質(zhì)量評(píng)價(jià)

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV221 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.011 文章編號(hào)：1006-0081（2025）04-0057-04

0 引 言

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量等新型測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展有效減輕了傳統(tǒng)測(cè)繪外業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度［1］。三維實(shí)景模型以無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，在經(jīng)過(guò)一系列處理后通過(guò)三維建模得到。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量方式主要分為下視單目鏡頭攝影測(cè)量、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量，由于不同的數(shù)據(jù)采集方式獲取的影像數(shù)據(jù)的角度、數(shù)量不同，因此模型構(gòu)建、模型可視化效果、模型質(zhì)量也不同。近年來(lái)也有一些學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，向華林等［2］針對(duì)單鏡頭無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模及精度評(píng)估進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了單鏡頭模型精度較為良好，符合產(chǎn)品相關(guān)規(guī)范。王云川等［3］對(duì)多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)不同航線規(guī)劃的三維建模方法進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)不同航線的三維建模方法模型完整度、點(diǎn)位精度均有所差異。但上述研究都沒(méi)有對(duì)不同作業(yè)模式下無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量三維實(shí)景模型的質(zhì)量和建模效率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究，針對(duì)不同要求的測(cè)繪項(xiàng)目，如何兼顧作業(yè)效率與模型質(zhì)量是必須考慮的，同時(shí)作為數(shù)字孿生工程的重要數(shù)據(jù)支撐［4］，精度高才能滿足其作為三維空間定位框架和分析的基礎(chǔ)，可視化效果優(yōu)且輕量才能提升平臺(tái)性能以及促進(jìn)數(shù)據(jù)共享［5-7］。本文基于不同作業(yè)模式下無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，從數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、模型精度等方面對(duì)3種不同模式下三維實(shí)景模型的建模效率與模型質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。

1 原理與方法

1.1 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量主要包含下視單目鏡頭攝影測(cè)量、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量、傾斜攝影測(cè)量。下視單目鏡頭攝影測(cè)量主要是依靠單鏡頭獲取垂直于地面的正射影像，只能提供地物的垂直視角信息，無(wú)法獲取地物的側(cè)面紋理和細(xì)節(jié)；云臺(tái)旋轉(zhuǎn)測(cè)量主要利用無(wú)人機(jī)搭載云臺(tái)設(shè)備，通過(guò)云臺(tái)的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)在不同角度和方向?qū)Φ孛孢M(jìn)行連續(xù)拍攝，以獲取多角度、全方位的影像數(shù)據(jù)；傾斜攝影測(cè)量是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)，同時(shí)從垂直、傾斜等多角度采集影像數(shù)據(jù)，獲取高分辨率的地物紋理信息和定位信息。

1.2 三維實(shí)景模型構(gòu)建原理

三維實(shí)景模型構(gòu)建以航測(cè)影像為輸入數(shù)據(jù)，利用高精度POS數(shù)據(jù)得到粗略原始影像的外方位元素，進(jìn)行粗匹配剔除一些誤匹配點(diǎn)，進(jìn)而再重新精確匹配，通過(guò)影像特征點(diǎn)匹配和聯(lián)合約束平差，完成相對(duì)定向，實(shí)現(xiàn)自由網(wǎng)平差［8］；對(duì)空中三角形測(cè)量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“空三”）加密時(shí)進(jìn)行像控點(diǎn)選刺，對(duì)已有自由網(wǎng)進(jìn)行約束平差解算，將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)納入像控點(diǎn)坐標(biāo)系中，完成絕對(duì)定向，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)平差；通過(guò)影像密集匹配生成高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維TIN格網(wǎng)，對(duì)TIN格網(wǎng)進(jìn)行封裝，構(gòu)建三維白膜模型，并對(duì)三維白膜模型自動(dòng)紋理映射，制作出三維實(shí)景模型［9-11］，建模流程見(jiàn)圖1。

2 實(shí)例分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

本次選取湖北省襄陽(yáng)市漢江崔家營(yíng)航電樞紐工程為研究對(duì)象，三維實(shí)景建模重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樵撍姽こ讨鲏螀^(qū)域，面積約為1.34 km2，本次數(shù)據(jù)采集主要包含航測(cè)影像、POS數(shù)據(jù)采集及地形檢查點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，測(cè)區(qū)范圍及檢查點(diǎn)示意見(jiàn)圖2。

本次航測(cè)作業(yè)采用DJI M300 RTK無(wú)人機(jī)搭載Zenmuse P1相機(jī)進(jìn)行下視單目鏡頭攝影測(cè)量、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)測(cè)量；飛馬D2000無(wú)人機(jī)搭載OP3000五鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量；采用GNSS實(shí)時(shí)差分定位方法獲取高精度POS數(shù)據(jù)，航測(cè)影像分辨率設(shè)置為3 cm，具體航測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1。

地形檢查點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集采用GNSS RTK作業(yè)方式人工采集，均勻地覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)范圍，共獲取地形檢查點(diǎn)202個(gè)。

2.2 模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行三維實(shí)景模型構(gòu)建，其重難點(diǎn)是空三及重建，空三是構(gòu)建高精度三維實(shí)景模型的基礎(chǔ)，而重建涉及三維實(shí)景模型在幾何與紋理表達(dá)的完整性、一致性上是否滿足要求；本次三維實(shí)景模型構(gòu)建采用重建大師（V6.2版本）分布式集群進(jìn)行建模。作為國(guó)產(chǎn)化大規(guī)模自動(dòng)化三維重建軟件，重建大師集攝影測(cè)量、人工智能算法、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù)于一體，滿足數(shù)據(jù)國(guó)產(chǎn)化、安全性、機(jī)密性的要求，同時(shí)具有高效的重建效率與出色的模型質(zhì)量，但是其對(duì)電腦硬件配置及網(wǎng)絡(luò)要求較高。為了滿足分布式集群建模，本次建模電腦處理器為Inter i9-10850k，顯卡為NVIDIA RTX3070，內(nèi)存128 GB；網(wǎng)絡(luò)配置為千兆交換機(jī)及千兆網(wǎng)卡，同時(shí)為最大限度發(fā)揮計(jì)算機(jī)性能，設(shè)置OSGB瓦片長(zhǎng)寬為250 m。由于下視單目鏡頭攝影測(cè)量只有正下方影像信息，且側(cè)面紋理信息較少，為提升建模效果，采用投影約束、碎目標(biāo)感知等智能化算法進(jìn)行模型構(gòu)建。內(nèi)業(yè)處理參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 模型精度

在傳統(tǒng)測(cè)繪生產(chǎn)中，模型精度直接影響到成果質(zhì)量，而對(duì)于數(shù)字孿生工程，其核心在于建立高精度的三維實(shí)景模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化復(fù)制和仿真。精度直接影響到數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和可靠性，因此本次通過(guò)高程點(diǎn)位誤差、高程中誤差對(duì)202個(gè)地形檢查點(diǎn)的不同作業(yè)模式下模型高程精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.4 建模效率與模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

建模效率與模型質(zhì)量主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集時(shí)間、空三、重建時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、模型可視化效果與模型精度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

內(nèi)外業(yè)時(shí)間及數(shù)據(jù)量情況見(jiàn)表3～4，可知下視單目鏡頭攝影測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間、有效數(shù)據(jù)采集時(shí)間最短，內(nèi)業(yè)空三、重建時(shí)間也最短，效率最高。

云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量由于其航測(cè)過(guò)程中云臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度較慢導(dǎo)致其數(shù)據(jù)采集時(shí)間、有效數(shù)據(jù)采集時(shí)間最長(zhǎng)，空三、重建時(shí)間基本上與下視單目鏡頭攝影測(cè)量成正比例關(guān)系，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量最小。

傾斜攝影測(cè)量由于其五鏡頭航測(cè)生成影像量最多，空三、重建時(shí)間最長(zhǎng)，且其空間幾何信息、紋理信息豐富，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量也最大。

由于影像獲取方式不同，影像的空間幾何信息、紋理信息以及三維實(shí)景模型可視化效果均不同，由圖3（a）和圖3（b）可看出，由于下視單目鏡頭攝影測(cè)量只能獲取無(wú)人機(jī)正下方的影像信息，雖可以通過(guò)增加旁向重疊度獲取一定的側(cè)面空間、紋理信息，但仍不能完整準(zhǔn)確獲取，因此三維實(shí)景模型的精細(xì)度和完整性上不如云臺(tái)旋轉(zhuǎn)測(cè)量模型，存在拉花、錯(cuò)亂、模型不完整等情況。由圖3（b）和圖3（c）可看出傾斜攝影測(cè)量與云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型可視化效果基本一致，細(xì)節(jié)上有所差異，說(shuō)明云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量作業(yè)方式雖然影像數(shù)量上相對(duì)較少，但通過(guò)云臺(tái)多角度旋轉(zhuǎn)的方式依然能獲取絕大部分被攝區(qū)域的空間、紋理信息。

通過(guò)對(duì)202個(gè)地形檢查點(diǎn)進(jìn)行誤差計(jì)算，檢查點(diǎn)高程誤差分布見(jiàn)圖4。由圖4可知，下視單目鏡頭測(cè)量模型與傾斜攝影測(cè)量模型有80%以上的檢查點(diǎn)高程誤差均在0.2 m以?xún)?nèi)，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)測(cè)量模型有90%以上的檢查點(diǎn)高程誤差均在0.2 m以?xún)?nèi)，經(jīng)過(guò)與模型驗(yàn)證，誤差較大的區(qū)域存在于坎頂、房邊等高程變化較大的區(qū)域。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)不同作業(yè)模式下模型中誤差，下視單目鏡頭攝影測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量中誤差為0.08 m，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量中誤差為0.07 m，中誤差基本一致，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)不同作業(yè)模式下無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量作業(yè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從數(shù)據(jù)采集時(shí)間、空三、重建時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、模型可視化效果以及模型精度等方面對(duì)不同作業(yè)模式生成的三維實(shí)景模型進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：在傳統(tǒng)測(cè)繪項(xiàng)目中，通過(guò)無(wú)人機(jī)下視單目鏡頭攝影測(cè)量方式作業(yè)建模，不僅能有效降低內(nèi)外業(yè)時(shí)間，且模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量相對(duì)不高，高程精度滿足相關(guān)規(guī)范中1∶500地形圖繪制要求，但是存在三維實(shí)景模型可視化效果差的情況；作為數(shù)字孿生工程的數(shù)據(jù)底板，傾斜攝影測(cè)量方式的可視化效果與精度滿足相關(guān)要求，但是出于平臺(tái)性能與數(shù)據(jù)共享的角度，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)攝影測(cè)量方式產(chǎn)生的三維實(shí)景模型無(wú)論從模型可視化效果、模型精度還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量來(lái)說(shuō)都是較優(yōu)的選擇。

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Evaluation on efficiency and quality of 3D real scene models under different operation modes of unmanned aerial vehicle photogrammetry

ZHANG Zhenjun，JIA Yongshuai，TANG Lei

（Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hanjiang River，Bureau of Hydrology of Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441021，China）

Abstract： In order to balance the efficiency and quality of surveying and mapping field operations，as well as to empower digital twin projects，and provide 3D real scene models with good visualization effects，high accuracy，and lightweight.The Cuijiaying Navigation and Hydropower Hub Project in Hanjiang，Xiangyang City of Hubei Province was taken as an example，the study was conducted on the modeling efficiency and quality of 3D real scene models produced by unmanned aerial vehicle photogrammetry under three different operation modes through data collection，model construction，and model accuracy.The results showed that：① The unmanned aerial vehicle down view monocular lens photogrammetry modeling method achieved both operational efficiency and result quality，and the model can meet the production needs of traditional surveying and mapping production units，but the visualization effect was poor.② The modeling model of Pinion rotating photogrammetry had a good visualization effect，low data storage capacity，and high accuracy，which met the requirements of digital twin engineering data base plate.③ The oblique photogrammetry modeling method had a good visualization effect and high accuracy，but it had a large data storage capacity and long processing time in the office.After comprehensive comparative analysis，the pinion rotating photogrammetry was the best option.

Key words： 3D real scene models； data acquisition； model construction； model accuracy； quality evaluation

收稿日期：2024-09-25

作者簡(jiǎn)介：張振軍，男，高級(jí)工程師，主要從事遙感測(cè)繪、水利信息化工作。E-mail：569548213@qq.com

引用格式：張振軍，賈勇帥，唐磊.不同作業(yè)模式下無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量三維實(shí)景建模效率與質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.水利水電快報(bào)，2025，46（4）：57-60.