无人机倾斜摄影在城市三维建模中的应用研究
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摘 要：为了验证旋翼无人机倾斜摄影测量的可行性及精度，该文以北京市高新区为例，采用旋翼无人机对其进行了倾斜摄影，利用ContextCapture进行了三维实景建模，并采用外业实测控制点、检查点及测量数据对模型的平面精度及测量精度进行了验证，最终对基于旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行三维实景建模的可行性、精度及效率做出客观评价，为后期的行业应用提供了一定的技术参考。
关键词：旋翼无人机 倾斜摄影 三维实景建模 空三加密 精度验证
中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0176-02
倾斜摄影测量技术的发展虽然只有几年时间，但国内已经有很多学者对该项技术进行了研究，并已有自主开发的倾斜摄影测量平台，如刘先林院士带领团队研制的SWDC.5系统、上海航遥公司的AMC580系统、中测新图公司研制的TOPDC-5系统摄影系统等，它的迅速发展使得目前高昂的三维城市建模成本得以大幅降低，为数字城市建设及地形复杂的地质灾害监测等方面的应用提供了全新的解决方案。由于无人机飞行高度低，且携带的轻型传感器所拍摄出的像片分辨率高，颜色真实，能够大幅提高所构建模型的纹理质量，近几年国内的一些科研院所及大型无人机生产商先后进行了固定翼无人机倾斜摄影系统的组装搭载测试并取得建模研究成功。旋翼无人机拥有垂直起降，对起飞着陆地点要求低、机动灵活且能够超低空飞行等特点，使其在对影像精度要求极高的倾斜摄影测量城市实景三维建模方面有很大的发展空间。因此，该文以实验区为例，对基于旋翼无人机倾斜摄影测量技术进行城市三维实景建模技术进行实验研究，并对其可行性、精度及效率进行评估。
1 旋翼无人机倾斜摄影测量系统
1.1 旋翼无人机系统
旋翼无人机系统由旋翼飞行器及地面操控系统组成，可自主或遥控飞行，对起飞着陆地点要求很低，能够垂直起降，且高度智能化，能以各种姿态飞行。这些特点使得其在测绘领域有了很大的发展空间。而在倾斜摄影测量方面，为了保证模型的精细程度，往往需要贴近地面及建筑物进行城市超低空飞行，旋翼无人机的机动、灵感、安全性及垂直起降等优势，无疑是城市倾斜摄影在最佳载体。此次实验采用的是由北京某公司研制的四旋翼无人机——蜻蜓5S，其轻便小巧，能够折叠随身携带，主要由飞控、通信系统、定位系统、动力系统和电池组成。
1.2 倾斜传感器集成
倾斜摄影传感器由多个镜头组成，较为常见的有3镜头和5镜头，镜头通过不同的方向和角度进行组合，使得其在同一曝光点获取建筑不同角度的影像，一般情况下，中间为下视镜头，侧视镜头以40°向内、向外或旋转分布于东南西北4个方向，同时传感器还需集成GPS/IMU惯导系统，在曝光的同时获取曝光点的位置及姿态信息。此次实验采用的5S倾斜相机采用了第一排两个镜头，第二排3个镜头的分布方式，其第一排中间镜头为正射镜头，其他为侧视镜头，侧视镜头与正射镜头偏角为30°，镜头统一采用CMOS传感器，有效像素3600万。
2 数据获取及建模处理
2.1 实验概况
实验区位于北京市某高新区，实验区内地形为平地，面积约为1km2。此次实验首先用旋翼无人机对实验区进行倾斜摄影并对其飞行质量进行检查，然后利用ContextCapture系统进行空三加密、密集匹配、不规则三角网建立及纹理映射等过程，实现三维实景建模，最后利用外业检查点对其成果精度进行检验，具体流程见图1。
2.2 数据获取
于2016年3月11日采用蜻蜓5S倾斜摄影系统对实验区进行了倾斜攝影，航高250m，10条航线，共获取影像785张，地面分辨率约为0.043m，通过对影像质量检查分析，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，通过对GSP及IMU的分析，其飞行稳定、航线弯曲度、航高保持良好，像片纹理清晰，层次丰富，色调均匀。
2.3 三维实景建模
（1）数据准备。
此次实验采用ContextCapture倾斜摄影测量系统进行空三加密及实景建模，该系统可将正射与倾斜影像同时导入，并支持仅输入GPS数据直接进行多视角匹配的空中三角测量。数据准备主要包括原始影像数据准备、POS数据预处理、相机参数和制作导入索引。影像资料准备需将原始数据按照5个不同的方向进行文件组织，并保证同一曝光点影像数据与POS数据一一对应;相机参数主要含焦距、像素大小、主点坐标及检校文件等。导入索引文件制作需要将之前准备好的影像文件、POS信息及相机参数等信息按照ContextCapture提供的模板填写并制作索引文件。控制数据方面，此次实验区地形为平地，共布设像控点10个，检查点27个，采用Trimble GeoExplorer 60000 SERIES GPS进行了实地量测。
（2）空中三角测量。
此次实验空三加密采用了10个控制点及8个检查点。平差过后控制点平面最大残差0.039m，高程最大残差为-0.019m，检查点平面最大残差0.034m，高程最大残差为0.056m，因目前并无明确的倾斜摄影空中三角测量规范，与传统数字航空摄影测量空三加密精度指标对比，其精度远高于1∶500空中三角测量要求的基本定向点最大残差平面不大于0.13m，高程不大于0.11m的规范要求。
（3）三维实景建模。
空三加密完成后，直接基于优化后的空三加密成果，设定三维建模的范围、瓦片大小以及匹配方式等参数，利用ContextCapture自动进行“影像金字塔构建”“点云匹配”“不规则三角网构建及优化”“三角网简化”“自动关联纹理”等过程，完成整个三维模型的自动创建与纹理的自动关联。 2.4 三维模型精度分析
（1）检查点精度验证。
该文将利用外业控制点对三维模型的绝对精度进行分析验证，但因当前行业内并没有相应的规范对倾斜摄影测量技术所建的三维模型精度做出明确的规定，因此此次检测主要按照数学精度检测方法中高精度检测的要求，利用外业实测的27个检查点，与内业直接在三维模型上量测得到的三维坐标进行对比检验。
利用中误差计算公式计算检查点的坐标偏差可得：
经统计，该次实验区内20个检查点的X方向中误差为0.064m，Y方向中误差为0.069m，均方根中误差（RMS，Root Mean Square）即平面位置中误差为0.095m，Z方向即高程中误差為0.08m，可看出其平面及高程误差均小于10cm（两个像素），且高程精度略高于平面精度。
（2）基于模型的量测精度验证。
结果表明，直接基于模型进行量测构筑物的误差要大于地面标志，分析其原因，主要是由于倾斜摄影所建的三维模型主要是由点云构建不规则三角网并关联纹理形成，而三角网的精细程度又受影像分辨率所影响，无法模拟构筑物的直线轮廓边缘，达不到现实中的棱角分明，导致内业量测时不能准确捕捉到建筑的拐角，使其存在一定的量测误差。而高度方面受模型底部精细程度所限，经常无法捕捉到准确的构筑物高度，此次实验中有两个标志点无法通过内业获取其高度信息。
3 结语
（1）数据获取方面，通过对实验区的影像获取、检查以及后期的三维实景建模验证，可看出轻型四旋翼无人机倾斜摄影测量系统操作简单，机动灵活，对起降场地基本无要求，完全可以应用于倾斜摄影测量三维实景建模工作。倾斜传感器方面，除了传统的以正射为中心，侧视围绕四周的模式外，此次实验的平行排列方式也可满足倾斜影像获取需求，后续工作中可尝试更为灵活的相机组合方式。
（2）精度方面，通过外业检查点对模型的绝对精度的验证情况来看，基于轻型四旋翼无人机倾斜摄影测量技术所建的三维实景模型其平面和高程中误差均可达到两个像素以内，并且其高程精度略高于平面精度。
参考文献
[1] 马晨，杨辽，池梦群，等.非量测相机倾斜航空影像空三加密精度评价[J].遥感信息，2015（6）：71-75.
[2] 孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘，2014，37（1）：18-21.
[3] 杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息，2016，39（1）：13-18.
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