倾斜摄影测量像控点布设对三维模型精度影响分析

周忠赣 伍慧群

（江西省核工业地质调查院，江西 南昌 330038）

0.引言

在科学技术日益发展的背景下，无人机倾斜摄影测量技术获得了迅猛发展。相较于传统摄影测量工具，无人机摄影测量结合了飞行器技术、遥感技术、卫星定位技术、计算机技术等，提升了无人机摄影测量的能力，推动了无人机摄影测量的发展。无人机拥有摄影测量快速采集测区信息、作业灵活、安全性高等优势，与传统的地形测量和摄影测量相比，能节省生产成本，加快完成数据采集和分析进度。

目前，关于无人机倾斜摄影测量的精度研究尚且不足，影响其在测绘生产中的应用。为此本文以某地区图书馆三维模型为例,使用大疆精灵4无人机和大疆智图影像处理软件生产其三维模型，并通过RTK获取实地数据进行几何精度检测，利用某地区图书馆不同高程像控点的布设方法判断像控点高程对无人机倾斜摄影测量建模精度的影响，其试验结论可为测绘生产提供参考。

1.无人机倾斜摄影测量系统

无人机摄影测量系统是一种能搭载在无人机上进行工作的系统，其体积小、质量轻且反应速度较快、飞行灵活，能在各种飞行条件下升空进行测量，同时可搭配高精度影像捕捉系统，实现高精度的地理测量需求，有效弥补了卫星遥感和航空遥感在精度方面的不足，在小范围区域内获取全部地理信息的能力明显提升[1]。随着科技的不断进步，由我国研发的无人机航空摄影测量系统已经形成了一套完善的测量机制，无人机同摄影测量系统的配合度也得到有效地提升，基本上满足了当前的测量需求。

像控点布设的数量与位置，对后期三维模型的构建以及地形图的绘制精度有着重要影响，通常像控点布设需遵循多个原则，首先要易于识别、位置要足够空旷无明显遮挡；其次应布设在便于测量位置，远离水域、密集建筑群、存在强磁干扰区域；最后，像控点需均匀分布在测区范围内，避免布设在测区边界，保证能控制整个测区，综合成本，合理加密控制。

无人机倾斜摄影测量系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统主要由无人机机载系统和地面控制系统组成，实现无人机飞行和航拍功能；软件系统部分由无人机的飞行、参数设置、航线规划等系统组成。

1.1 硬件系统

（1）无人机机载系统。无人机机载系统主要由无人机主体、摄影系统、通信系统及飞行控制系统组成。在飞机作业过程中，其能根据地面控制系统的指令或预先设置的飞行规划进行作业，通过通信系统将飞行状况信息（如，飞行速度、飞行高度）传输至地面控制系统[2]。

（2）地面控制系统。地面控制系统是实现对无人机基本飞行控制的系统，对飞行平台的运行有着重要影响，主要由通信系统和一系列的计算和控制硬件组成，能在无人机飞行过程中及时接收无人机反馈的基本参数信息，并通过电子地图标定无人机的飞行高度、速度、轨迹等状态信息，同时还可对无人机发出飞行指令，从而充分控制无人机飞行。

（3）航拍系统。航拍系统是实现无人机测量的基础系统，通常情况下可根据测量需求，搭载不同参数的航摄硬件（如数码相机、遥感成像仪等），以实现不同精度和类型的测量需求。

1.2 软件系统

（1）航线规划系统。航线规划系统是无人机航拍系统进行数据采集的软件系统，对无人机的飞行方向和拍摄的精确度有着重要影响。通常情况下，在无人机进行航拍之前，应根据飞行范围和地形地貌等因素，结合航摄度要求，通过航摄规划系统对无人机的基本走向、分辨率等参数进行设定，使得无人机根据预先设定的航线完成对既定地理信息的测量[3]。

（2）影像的预处理系统。航空摄影测量系统所捕捉到的影像通常存在一定的畸变差或对比度不明显情况，而影像预处理系统是对无人机航拍系统所捕捉到的影像文件进行初步处理，包括对影像进行增强、旋转、改正，使摄影信息更准确，同时根据数据存储和使用需要，将航摄数据转换为通用格式，以便于后期打开查看。

2.实例验证

2.1 现场踏勘

航测作业前需要对测区状况进行考察，图书馆视野开阔，地势较为平坦，有利于确定该测区的像控点位置。检查测区CORS信号覆盖情况，确定信号强度和可靠性，是否有利于无人机的飞行试验。为避免因天气因素导致数据质量问题，应选择风力较小、天气状况良好时间进行外业数据采集。

2.2 航线规划和参数设置

地面采样距离（Ground Sampling Distance,GSD）选择为2 cm，飞行高度设定为73 m，以航向重叠80%相机拍摄间隔2s计算，最大飞行速度为5m/s。外业拍摄过程中飞机在快速移动,会产生运动模糊现象,使拍摄物体模糊变形，所以保证曝光的前提下,可采用快门优先模式。考虑外业数据采集过程中，无人机飞行速度较快，当快门反应速度过慢时会产生运动模糊现象，通常运动模糊值等于快门时间乘以飞行速度，为提高影像精度,一般情况下运动模糊要小于0.5倍的GSD。

由于图书馆高度有限，且固定翼无人机无法完成作业，可选用大疆精灵4飞行器进行数据采集。大疆精灵4飞行器在兼顾经济效益的同时，能满足低空、高精度影像采集，达到本航摄任务试验要求。

以三维重建对象的地形及类型为依据，进行航线规划。选用五向飞行这种三维建模航线规划方式。五向飞行为5组飞行航线，包括1组正射航线（即云台俯仰角度-90°，朝向正下方）和4组不同朝向的倾斜航线（即云台俯仰角度大于90°，-45°～-90°），以获取下视、前视、后视、左视和右视五个视角照片。在飞行时，考虑到该图书馆附近有茂密的植被区域及平坦的操场地形,需增加重叠率,以便更易检测重叠图像之间的相似性。

2.3 无人机航拍及注意事项

无人机导航系统极易受GNSS信号、通讯距离等因素的干扰。在无人机起飞位置的选取上需考虑多项要素。应选择视野开阔、网络信号畅通的位置，尽量避免选择在高层建筑物中间、周围存在树木遮挡的位置，此类位置会使无人机无法获取GNSS信号，无法精准悬停，造成无人机漂移，影响返航位置精度，增加自动返航难度[4]。无人机内置的传感器需要依靠磁场进行方向判别，起飞位置需避免选择在钢结构或钢筋混凝土结构表面。在测区高处起飞时,如果起飞点与测区地面存在较大高差时,可在大疆智图“高级设置”中的“相对高度”设置其真实高度,保证“任务高度”是相对于测区的高度，非真实高度会影响重叠率。为避免Wi-Fi、信号塔、电站等设备多重干扰无人机通信链路,从而造成飞机失控及RTK失锁等情况发生，无人机的飞行路线要远离信号塔、变电站等。

2.4 地面控制点数据获取

地面控制点的获取是提高无人机测量建模精度的重要数据，无论是航空影像还是卫星遥感影像，皆属于远距离的影像获取，受地形起伏、地球曲率或搭载的传感器本身的影响，获取的影像数据几何位置可能会出现偏差。而地面控制点是经过实地测量或通过其他渠道获取的已知准确的地面点信息，通过在影像上标定控制点信息来纠正影像出现的几何误差以及地理位置信息，因此地面控制点测量是无人机像片三维模型产品生产中的重要步骤。像控点的精确三维坐标通常通过全站仪或RTK测量获得，对于图书馆控制点的测量使用RTK测量技术。

本次试验使用司南导航的T3000 RTK测绘产品，首先在空旷地带架设RTK基准站，检查电源电量是否充足，检查手簿状态是否良好，连接天线，设置移动站，天线高选择1.5 m，校正控制点选择测距点中3个相距大于100 m的控制点校准。

为对比分析高程分层像控点布设方法与常规布设方法、无像控三维模型精度质量，本文首先在图书馆地面均匀布设10个像控点，以地面为0m层，分别在5 m、10 m层分别布设像控点5个。使用司南RTK采集均匀布设在图书馆周围的20个像控点的平面坐标及高程值，用于对比像控点高程对建模精度的影响[5]如表1所示。

表1 RTK测量坐标 单位：m

3.精度验证

为评估本次试验的三维模型精度，选取之前在图书馆均匀布设的20个像控点作为精度验证的点坐标，使用司南RTK测量的坐标值作为真实值进行参考，分别取3个模型中与20个相同位置的点坐标进行对比，计算平面中误差和高程中误差检验其模型精度，误差统计如表2—表4所示。误差检验公式如式（1）所示：

表2 无像控点误差统计表 单位：m

表4 高程分层像控点误差统计表 单位：m

式（1）中，ms为平面中误差；mK为高程中误差；ΔSi为平面残差；ΔHi为高程残差；n为评定精度时所计算的坐标点的个数。

表3 地面像控点误差统计表 单位：m

由以上误差分析表可以看出，大疆精灵4无人机三维影像建模处理结果如下：

（1）当三维模型没有像控点时，在模型上选取与RTK实测位置相同的20个点坐标,其平面中误差约5 cm，其高程中误差17.6 cm。

（2）当图书馆模型对楼下地面像控点刺点时，其平面中误差为3.2 cm，高程中误差为4 cm。对比无像控点模型时的精度，平面中误差提高了1.8 cm，高程中误差提高了13.6cm，三维模型精度得到明显提升，高程精度提高较明显。

（3）利用图书馆模型进行高程分层像控点时，平面中误差为2.6 cm，高程中误差为2.8 cm。对比地面像控点，平面中误差提高0.6 cm，高程中误差提高1.2 cm。

4.结束语

本次试验利用大疆精灵4无人机对某图书馆进行倾斜摄影测量构建三维模型，分别构建无像控点模型、楼下地面像控点刺点模型、楼上楼下像控点刺点模型，利用RTK仪器实测20个点坐标与构建的3个模型上的点坐标进行对比精度分析，得出以下结论：

（1）据GB/T 23236—2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》要求，在1∶1 000比例尺检查点对实测点平面中误差和高程中误差分别为35 cm和28 cm，在1∶500比例尺中检查点对实测点平面中误差和高程中误差分别为17.5 cm和15 m。

（2）本次试验所有模型精度均满足1:1 000比例尺要求，刺像控点后模型精度能满足1∶500比例尺要求，在布设了像控点的三维模型中，高程分层像控点模型精度与地面像控点模型精度相比，在毫米级精度上，其平面中误差精度提高了19%，其高程中误差精度提高了30%，因此不同高程的像控点对无人机倾斜摄影测量建模精度有所提升，当需要高精度无人机倾斜摄影测量时可考虑像控点高程的影响。