無人機(jī)像控點(diǎn)布設(shè)方式對實(shí)景三維模型成果精度的影響

金新平 戴競輝 黃 瑤 張高鵬

（華東勘測設(shè)計(jì)院（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

隨著現(xiàn)代化測繪技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機(jī)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。由于無人機(jī)體積較小，空中姿態(tài)變換較為靈活，同時受空域管制影響相對較小，獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)較快，所以，采用無人機(jī)獲取測區(qū)范圍內(nèi)的航空影像數(shù)據(jù)[1]，進(jìn)而進(jìn)行基礎(chǔ)測繪工作，尤其是地形條件相對復(fù)雜的區(qū)域，采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域快速成圖、基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)快速獲取工作?；跓o人機(jī)攝影測量技術(shù)的測速快、實(shí)景表現(xiàn)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其在城市規(guī)劃、數(shù)字城市建設(shè)、新農(nóng)村測繪等方面具有較為重要的應(yīng)用研究價值[2]。

采用無人機(jī)進(jìn)行低空攝影測量時，無人機(jī)上所搭載的相機(jī)普遍為非量測相機(jī)，所以要建立相機(jī)所攝像片與目標(biāo)物之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而進(jìn)行空三解算，而地面像控點(diǎn)的布設(shè)方案則直接影響目標(biāo)物三維坐標(biāo)的解算精度[3]。地面像控點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量和位置，在一定程度上會影響實(shí)景三維模型的精度，同時像控點(diǎn)布設(shè)的合理與否，直接決定了外業(yè)測繪工作量的大小及建模成本[4]。在測區(qū)范圍內(nèi)，如何合理布設(shè)像控點(diǎn)，以最少地面像控點(diǎn)獲取最高精度的測區(qū)實(shí)景三維模型，是一個重要的研究課題。

本文設(shè)計(jì)周邊布設(shè)、中心布設(shè)、均勻布設(shè)以及加密布設(shè)四種像控點(diǎn)布設(shè)方案，分別構(gòu)建研究區(qū)域?qū)嵕叭S模型，對四種模型進(jìn)行精度分析對比，進(jìn)而研究地面像控點(diǎn)的不同布設(shè)方式對實(shí)景三維模型建模精度的影響。

1.像控點(diǎn)布設(shè)原則

采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)獲取基礎(chǔ)測繪信息時，選擇科學(xué)合理的像控點(diǎn)布設(shè)方式，能夠大大提升后續(xù)測量成果的精度，降低工作量，提高工作效率。在進(jìn)行地面像控點(diǎn)布設(shè)時，需遵循一定的原則[5]，同時結(jié)合測區(qū)實(shí)際地形地貌，根據(jù)實(shí)際需求選取最優(yōu)的布設(shè)方式。地面像控點(diǎn)的一般布設(shè)原則有：

（1）測區(qū)范圍內(nèi)地面像控點(diǎn)應(yīng)均勻、立體布設(shè)；

（2）同一位置的地面像控點(diǎn)應(yīng)聯(lián)測成平高點(diǎn)；

（3）地面像控點(diǎn)實(shí)際布設(shè)位置的連線應(yīng)盡量避免為近似直線；

（4）在實(shí)際布設(shè)地面像控點(diǎn)過程中，應(yīng)在點(diǎn)位處布設(shè)地面標(biāo)志，或選擇較為醒目的目標(biāo)點(diǎn)處布設(shè)像控點(diǎn)，從而提高刺點(diǎn)精度，在一定程度上增強(qiáng)像控點(diǎn)的可靠性；

（5）地面像控點(diǎn)布設(shè)完成后應(yīng)對點(diǎn)位進(jìn)行拍照，從而獲取像控點(diǎn)位置信息，便于在后續(xù)工作中提高刺點(diǎn)效率。

以上述地面像控點(diǎn)的布設(shè)原則為基礎(chǔ)，兼顧測區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)際地形地貌，本文以某城市范圍內(nèi)的不規(guī)則小面積區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?，設(shè)計(jì)不同的像控點(diǎn)布設(shè)方案，研究像控點(diǎn)布設(shè)方式對不規(guī)則區(qū)域內(nèi)構(gòu)建實(shí)景三維模型精度的影響。

2.實(shí)例探究

2.1 像控點(diǎn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)

本文研究區(qū)域?yàn)槟成降厍鹆甑貐^(qū)某一不規(guī)則區(qū)域，區(qū)域面積為0.35km2。該研究區(qū)域特征較為明顯，整體形態(tài)為非規(guī)則多邊形，綜合考慮測區(qū)范圍內(nèi)像控點(diǎn)布設(shè)方式與內(nèi)業(yè)空三加密解算精度之間的關(guān)系，研究不同的像控點(diǎn)布設(shè)形式對不規(guī)則區(qū)域?qū)嵕叭S模型精度的影響。在設(shè)計(jì)測區(qū)像控點(diǎn)布設(shè)方案時，以像控點(diǎn)布設(shè)原則為基礎(chǔ)，充分考慮測區(qū)范圍、地形及建筑物密集程度等因素，根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H形態(tài)特征擬定了四種像控點(diǎn)布設(shè)方案，所有點(diǎn)位均為平高控制點(diǎn)。

方案一：周邊布設(shè)，根據(jù)測區(qū)范圍的實(shí)際形態(tài)，在測區(qū)邊緣布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)依次連線構(gòu)成的面盡量包含整個測區(qū)，本次布設(shè)15個像控點(diǎn)（如圖1所示），研究邊角布控對三維實(shí)景模型的精度影響。

圖1 測區(qū)周邊布設(shè)

方案二：中心布設(shè)，僅在測區(qū)中部布設(shè)像控點(diǎn)，本次布設(shè)5個像控點(diǎn)（如圖2所示），研究中心布控對三維實(shí)景模型精度的影響。

圖2 測區(qū)中心布設(shè)

方案三：均勻布設(shè)，在滿足邊緣布設(shè)的情況下，測區(qū)中部增設(shè)少量像控點(diǎn)，本次共布設(shè)10個像控點(diǎn)（如圖3所示），研究全面布控對三維實(shí)景模型精度的影響。

圖3 測區(qū)均勻布設(shè)

方案四：加密布設(shè)，在方案三的基礎(chǔ)上，對測區(qū)像控點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行加密，由于測區(qū)為非規(guī)則山地丘陵地區(qū)，加密布設(shè)像控點(diǎn)可更充分反映測區(qū)的地形地貌及形狀特征，本次共布設(shè)15個像控點(diǎn)（如圖4所示），研究加密布控對三維實(shí)景模型精度的影響。

圖4 測區(qū)加密布設(shè)

依據(jù)外業(yè)控制點(diǎn)的布設(shè)規(guī)范，像控點(diǎn)布設(shè)在空曠、地表起伏較小的區(qū)域[6]，另在測區(qū)內(nèi)布設(shè)10個檢核點(diǎn)，使用高精度RTK進(jìn)行檢核點(diǎn)坐標(biāo)的測量工作，以檢核點(diǎn)三維坐標(biāo)為真值，進(jìn)行實(shí)景三維模型精度檢查。

2.2 像控點(diǎn)精度驗(yàn)證

在進(jìn)行實(shí)景三維模型精度評定之前，需檢核地面像控點(diǎn)的精度，當(dāng)某像控點(diǎn)出現(xiàn)較大粗差或被破壞時，需采用一定方法對其進(jìn)行補(bǔ)償或舍棄，從而避免像控點(diǎn)自身誤差過大對模型精度的影響[7]。本文共設(shè)計(jì)了四種像控點(diǎn)布設(shè)方案，共計(jì)15個不同位置的像控點(diǎn)，結(jié)合影像POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量。像控點(diǎn)空三解算質(zhì)量報(bào)告（如表1所示），由空三解算結(jié)果可知，重投影中誤差均在1個像素點(diǎn)以內(nèi)，準(zhǔn)確度相對較高；像控點(diǎn)水平中誤差為0.0059m，垂直中誤差為0.0028m，表明所布設(shè)的像控點(diǎn)精度相對較高，可用于該地區(qū)實(shí)景三維模型的構(gòu)建。

表1 像控點(diǎn)精度評定

3.模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

本文采用低空無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，使用Smart3D構(gòu)建出測區(qū)內(nèi)的實(shí)景三維模型（如圖5所示），其中A為廠房模型；B為平房模型；C為村落一角展示；D為樓房模型。

圖5 實(shí)景三維模型

在完成測區(qū)實(shí)景三維模型的構(gòu)建工作后，對四種像控點(diǎn)布設(shè)方案所得到的四種實(shí)景模型的絕對精度進(jìn)行分析評定，以測區(qū)內(nèi)采用高精度RTK測量得到的檢核點(diǎn)坐標(biāo)值為真值，以實(shí)景模型上與檢核點(diǎn)所對應(yīng)的點(diǎn)位為測量值，分別計(jì)算各點(diǎn)位平面中誤差和高程中誤差，對模型精度進(jìn)行構(gòu)建得到的模型做點(diǎn)位精度分析。中誤差計(jì)算公式如式（1）所示：

式（1）中，m為各方向中誤差；△為各方向真誤差；n為檢核點(diǎn)數(shù)量。

平面中誤差可根據(jù)X、Y方向的中誤差進(jìn)行求解，其公式如式（2）所示：

在測區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)10 個模型精度檢核點(diǎn)（J01～J10），分別計(jì)算四種像控點(diǎn)布設(shè)結(jié)果建立的四種測區(qū)實(shí)景三維模型的平面中誤差和高程中誤差，結(jié)果（如表2所示）：

通過對表2和圖6、圖7分析可知，四種像控點(diǎn)布設(shè)方案所構(gòu)建的研究區(qū)實(shí)景三維模型精度，平面中誤差最大為0.1404m，高程中誤差最大為0.2118m，我國測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中對于Ⅰ級產(chǎn)品具有明確的精度要求[8]，其中1∶500成圖比例模型的平面精度要求為0.3m，高程精度要求為0.5m，所以本次研究過程中所采用的四種像控點(diǎn)布設(shè)方案均滿足規(guī)范要求；但相對而言，高程精度要低于平面精度，這是由于測區(qū)為山地丘陵地區(qū)，地表起伏較大，而像控點(diǎn)的布設(shè)條件相對有限，無法完全反映測區(qū)的地形地貌。

四種像控點(diǎn)布設(shè)方式所得到的是實(shí)景三維模型的精度具有較為明顯的差異，其中像控點(diǎn)在測區(qū)中心布設(shè)所構(gòu)建的實(shí)景模型精度最低，平面中誤差為0.1404m，高程中誤差為0.2118m，其主要原因是像控點(diǎn)布設(shè)位置連線未能覆蓋整個研究區(qū)域，但由于測區(qū)面積相對較小，所以所構(gòu)建模型精度能夠滿足規(guī)范要求；采用測區(qū)周邊布設(shè)方案所構(gòu)建的模型精度高于中心布設(shè)，平面中誤差為0.0561m，高程中誤差為0.1065m，主要是由于研究區(qū)域?yàn)榉且?guī)則區(qū)域，在測區(qū)周邊非規(guī)則特征處布設(shè)像控點(diǎn)，能夠反映出測區(qū)形態(tài)特征，所以模型精度較高；方案三采用測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)像控點(diǎn)方案，既滿足測區(qū)周邊非規(guī)則形態(tài)要求，又在測區(qū)中心區(qū)域均勻布設(shè)，能夠反映出測區(qū)整體地形地勢特征，所構(gòu)建模型精度相對方案一和方案二較高，所構(gòu)建的實(shí)景三維模型平面中誤差為0.0278m，高程中誤差為0.0590m；方案四在方案三的基礎(chǔ)上，對像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量進(jìn)行加密，能夠?qū)y區(qū)的地形地勢及形狀特征進(jìn)行充分表現(xiàn)，以該像控點(diǎn)布設(shè)形式構(gòu)建的實(shí)景模型，在本文的四種像控點(diǎn)布設(shè)方案中精度最高，所構(gòu)建的實(shí)景三維模型平面中誤差為0.0271m，高程中誤差為0.0475m，但相對方案三而言，精度提升相對較少。因此，在實(shí)際布設(shè)像控點(diǎn)時，需根據(jù)測區(qū)形態(tài)特征、地形地勢等實(shí)際情況，按需布設(shè)，優(yōu)化像控點(diǎn)布設(shè)方案，既保證實(shí)景模型精度，又能降低成本，減少工作量，提高工作效率。

表2 實(shí)景三維模型精度評定

圖6 檢核點(diǎn)平面中誤差

圖7 檢核點(diǎn)高程中誤差

3.2 幾何精度分析

由于研究區(qū)域內(nèi)有較多建筑及道路等幾何結(jié)構(gòu)物存在，而點(diǎn)位精度評定無法表現(xiàn)出此類建筑物的幾何精度情況。本文在點(diǎn)位精度檢核的基礎(chǔ)上，引入模型幾何精度分析，在研究區(qū)域內(nèi)選擇特征較為明顯的幾何建筑物，構(gòu)建多方向特征建筑連線，以線段為單位對不同像控點(diǎn)布設(shè)方案構(gòu)建的測區(qū)實(shí)景三維模型的幾何精度進(jìn)行評定，進(jìn)而研究不同像控點(diǎn)布設(shè)形式對實(shí)景三維模型幾何精度的影響。

本文共構(gòu)建了8段測區(qū)范圍內(nèi)不同方向的特征建筑連線（L1～L8），其中L1～L4為測區(qū)范圍內(nèi)長線段，L5～L8為短線段，以測區(qū)內(nèi)的實(shí)際測量結(jié)果為真值，同時在實(shí)景三維模型上選取對應(yīng)的線段，量測模型上的長度值，作為測量值，對實(shí)景三維模型的幾何精度進(jìn)行綜合評判。其結(jié)果（如表3所示）：

表3 模型幾何精度評定

通過對表3分析可知，四種像控點(diǎn)布設(shè)方案的幾何精度均達(dá)到99.5%以上，四種像控點(diǎn)布設(shè)方案所構(gòu)建的實(shí)景三維模型的幾何精度均滿足規(guī)范要求，但短基線的幾何精度明顯要優(yōu)于長基線的幾何精度；四種像控點(diǎn)布設(shè)方案所構(gòu)建的實(shí)景模型的幾何精度由高到低排序?yàn)榧用懿荚O(shè)＞均勻布設(shè)＞周邊布設(shè)＞中心布設(shè)，由此可見，在測區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)像控點(diǎn)時，在滿足測區(qū)邊緣形態(tài)的要求下，在中心區(qū)域加密布設(shè)像控點(diǎn)，能夠在一定程度上提高測區(qū)實(shí)景三維模型的幾何精度，尤其是短基線的幾何精度，能夠得到較大程度提高，進(jìn)而使得實(shí)景三位模型更加貼近測區(qū)內(nèi)建構(gòu)筑物的真值。所以，在構(gòu)建測區(qū)實(shí)景三維模型時，應(yīng)充分考慮像控點(diǎn)布設(shè)方案對三維模型絕對精度和相對精度的影響，在滿足規(guī)范和應(yīng)用要求的前提下，選擇合理的像控點(diǎn)布設(shè)方式，減少工作量，降低建模成本。

4.結(jié)束語

本文采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)獲取某山地丘陵地區(qū)非規(guī)則區(qū)域的實(shí)景三維模型，根據(jù)研究需要，設(shè)計(jì)測區(qū)周邊布設(shè)、測區(qū)中心布設(shè)、測區(qū)均勻布設(shè)及測區(qū)加密布設(shè)四種像控點(diǎn)布設(shè)方案，對不同方案所構(gòu)建的實(shí)景三維模型精度進(jìn)行分析評定，其中測區(qū)加密布設(shè)像控點(diǎn)所構(gòu)建的三維模型精度最高，因其既滿足了測區(qū)邊緣形態(tài)要求，又能對測區(qū)的地形地勢進(jìn)行綜合反映，但該方案與測區(qū)均勻布設(shè)像控點(diǎn)的模型精度相差無幾，實(shí)際布設(shè)像控點(diǎn)時，需綜合考慮建模成本和外業(yè)工作量；在測區(qū)中心布設(shè)像控點(diǎn)所構(gòu)建的實(shí)景三維模型精度最低，主要是測區(qū)為非規(guī)則區(qū)域，中心布設(shè)像控點(diǎn)無法反映測區(qū)形狀；同時對四種像控點(diǎn)布設(shè)方式的幾何精度進(jìn)行綜合評判，結(jié)果表明：在滿足測區(qū)邊緣形狀的條件下，加密布設(shè)像控點(diǎn)，所構(gòu)建的三維模型幾何精度最高。像控點(diǎn)的布設(shè)方式和實(shí)景模型的精度密切相關(guān)，在滿足成果精度要求的前提下，不斷對像控點(diǎn)布設(shè)方式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而減少工作量，不斷提高工作效率。