城市三維建模_低空無人機航拍精度評估

當前，無人機作為一種快速、有效的影像獲取手段，不僅彌補了衛星遙感技術獲取數據的不足，還能利用多角度、大范圍獲取地面紋理信息，為城市三維建模提供重要的技術支持。本文對基于低空無人機影像的城市三維模型構建展開了介紹，分析低空無人機影像城市三維建模的精度評估，并通過研究區域的三維模型、成圖結果的精度進行了分析，實驗表明：利用低空無人機攝像控制點布設，可達到三維模型精度要求，旨在為有關需要提供幫助。

隨著我國城市化建設的不斷發展以及科技的日益進步，城市地理信息已從二維轉向三維的方向發展，城市三維建模 已成為當前城市建設的重要工作之一，并對城市建設的發展具有重要的促進作用。而低空無人機在城市三維建模中具有廣泛的應用，對此，本文展開了相關介紹。

1　低空無人機影像城市三維模型構建

三維模型構建過程主要為外業控制點布設、航拍飛行、內業處理。在建構模型中，因所使用的設備極其昂貴，而且航高較高，飛行中機動靈活較差，通常選擇無人6機低空攝影測量的方法進行。多視立體航攝儀重量較重，而無人機載荷較差，難以承載，因而通常選擇測輕小型相機進行航拍。無人機多視立體航攝系統是利用多個輕小型非量測相機進行一體化設計而成的。因系統由非量測型相機構成，因而需相機檢校標定，以確保其拍攝的準確度。本次研究在實驗基礎上構建多角度立體化航拍系統，以無人機全流程檢測?，F將具體情況，以圖1形式展現出來。

圖1　建模結構圖示

2　三維建模精度分析

2.1　城市結構與建模

構建城市模型的關鍵是微觀層面，建立LOD。在劃分級別數方面，City GML中將城市三維模型劃分為5種級別。詳見表1。

級別的差異對于點位精確度也有一定影響，此級別的分級方式在建筑物的應用中適應性較強，對于實際城建而言，卻還存在較多不適應之處。城市三維建模技術規范對實際的建筑建模劃分方式詳見表2。

2.2　控制點布設方案

城市三維建模規范之中在建筑物地形圖設計時，輪廓線比例應在1∶500到1∶2000之間。建筑外膜采集紋理過程中，以激光掃描為依托，以攝影測量后實地拍攝為基礎。后可借助DOM 數據構建或實地拍攝處理圖像紋理。而針對建筑物平面設計過程中，最佳比例應維持在1∶500到1∶2000之間，確保三維模型所得數據與地形數據相契合。

低空數字航空攝影采用1∶1000比例尺進行測量時，其平面/高程精度為1m*0.4m，采用1∶500比例尺進行測量時，平面/高程精度為0.5m*0.4m。按照城市三維建模技術規范的相關規定，建筑模型的平面/高程精度為0.5m*0.5m，三維模型數據與地形圖數據套合。

結合上述要求，城市三維模型確定經地空航空拍攝，可節省人力物力，圖像收集的效果較好。低空航拍結合數字化技術應用于三維模型建立之中，還應對各控制點的設計與安排制定嚴格規范。常規低空無人機拍攝時可以較高的精度完成定位任務，可見主要的兩布點，即全野外布點和區域網布點。該布點模式之中全野外布點模式也可分為全能和綜合兩種，需針對具體實際情況進行改善。城市構建可通過野外布點大幅度增加不必要工作量，可廣泛運用區域網布局點進行建設。

本文中構建建筑三維模型中的相關數據主要來源于輕小型多視立體航攝儀航攝，該設備由中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司提供，焦距：下視35mm，側視55mm。像元4.9μm，下視焦距35mm，以1∶1000為圖示比例，設定航拍高度為571m，具體實施航拍，詳見表3。

如表3所示，1∶1000連接點平面和高程誤差分別是0.35m、0.28m，通過轉換為圖形將平面和高分別調整為0.7mm、0.56mm。

無人機航拍過程中，相鄰平面控制點間隔基線計算：

其中，mq 值為0.005mm;K 值為16;n3+2n+46=31.252;基線n=10條。

按照1∶1000比例尺，4-5條航線計算。

相鄰高度控制點基線計算：

其中，mq值為0.005mm;

H值為570m;

b值為4.8mm;

n3+23n+100=26.72;基線為n=7條。

經計算分析，7條航線應布設一個平高點，旁向航線均布設平高點。在布設檢查點中，檢查點應均勻在建模區域內，其位置應遠離控制點位置，兩者不可在同一位置。放頂檢查可占據2/3比例，而地面點位可占1/3比例。

3　試驗情況

3.1　測區概況

此次試驗中航攝面積約4km2，區域范圍坐標見表4。

3.2　試驗設備情況

ZC-2無人機的使用，可清晰觀察建筑具體情況，便于建筑設計及布局。其作為本次實驗的重要環節，改裝無人機型具有明顯的優勢。其質量較小，飛行姿態穩定，維護成本較低。

本次試驗可考慮以TOPDC-5UA 遙感傳感器五視立體航拍設備航拍，其可準確傳回信號，可穩定同步曝光，運行可靠性高。參數設置較為簡便，還可調整遠程姿態，便于連接和拔除。具體內容如圖2所示，相機參數如表5所示。

圖2　遙感器為TOPDC-5UA的遙感系統

3.3　布設控制點及獲取影響情況

控制點布設及影響獲取實驗中，本次共布設控制點53個。其中，共有8個方頂點，11個檢查點布設。在本次試驗中，共設有航拍飛行線14條，總長度85km。航線可完全覆蓋測區，呈像清晰。

本次所用無人機航拍面積共4km2，約可見建筑面積1.5km2，高度可達570m，分辨率為0.08m，共拍攝3000余張像片。

4　數據處理與分析

4.1　數據處理

使用Photoscan軟件進行處理數據，其中包括影像、POS數據、相機檢校數據、控制點數據。新建工程，將影像導入，并分為前、后、左、右、下視5組，將POS值導入，對初始值進行匹配，后輸入校驗相機取得參數。將影像的匹配定向操作，與POS數值相結合取得相機校驗參數。這一過程中軟件可自動生成系數點的運輸局，并根據所得數據及結果調整相關錯誤照片匹配，保證所得坐標精度能滿足要求。加入相應的控制點并刺在影像上，計算平差，評估控制點和匹配點的粗差值，控制點誤差超出要求則繼續調整，刪除誤匹配點。去掉匹配錯誤的位置后，在云端進行密集點匹配，再通過軟件生成三角網。針對三角網進行編輯與處理后行貼紋處理，后將模型于軟件內部模型生成，將其以文件形式輸出。

4.2　數據分析

控制點精度及檢查點精度具體情況，如圖3所示。

計算相關數據后發現，控制點平面及高程中，最大誤差數據為±0.38m。所有達到空三規范的各控制點及平面誤差結果均為0.4m以下。后針對各大檢查點進行檢查，可知平面及高程誤差分別為0.45m和-0.58m?？杖幏兜?∶1000達標數據中檢查點的平面差值居多限定在0.7m，高程差值最多限定在0.6m。建模工作完成后，需對13個模型進行測量。得到其坐標后對比實地與室內坐標差異，計算與之相對應的數值。本次建模測量數據相比，三維模型的點平面差值為0.47m，高度為0.52m，總平面及高程標準偏差分別為0.25m、0.08m，表明利用低空無人機攝像控制點布設，可達到三維模型精度要求如圖4所示。

圖3　控制點、檢查點精度分析示意圖

圖4　模型精度分析

5　結束語

城市三維建模過程中精度是模型的關鍵，其影響到模型的可靠性，關系到城市未來的發展。因此，在進行城市三維建模過程中，必須重視對精度的評估。本文介紹了低空無人機影像控制點布設的具體操作過程，經實驗證實，使用該方法評估城市三維建設模型的精度，具有較高可行性，值得進行推廣。