消费级无人机倾斜摄影1:500三维模型精度评价
摘 要: 随着智慧地球、智慧城市的不断发展，建立城市精细化的三维模型越来越重要。低空倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰度、多视角的方式获取城市复杂场景，广泛应用于城市三维建模。以北京建筑大学为研究区，利用消费级无人机搭载轻型便捷的倾斜相机获取影像数据，在 Smart3D Capture 软件平台进行三维模型重建，通过选取一些检查点对比分析，采用此方法建立的三维模型的平面中误差、高程中误差均达到Ⅰ级 1∶ 500 成图比例尺测图精度的要求。
关键词: 消费级无人机; 倾斜摄影; 三维模型; 精度分析
无人机在获取影像的过程中机动灵活且成本较低，获取的影像分辨率高，并且在测绘地理信息、防灾减灾、农业估产、水利电力、交通等方面发挥重要作用。利用倾斜摄影测量技术能够全面感知复杂场景，最终以三维立体方式呈现。通过高效的摄影采集设备和高精度的数据处理方式，能够以真实的效果和测绘级精度反映出研究的对象外观特征、高度及位置等信息。
随着消费级无人机在测绘领域的广泛应用，消费级无人机成为一种新型的快速获取对地光学影像的平台，使三维城市建模效率得到快速提高。因此，需要研究基于消费级无人机倾斜摄影测量技术生成的三维模型所能达到的精度水平，以推动消费级无人机倾斜摄影技术在建模行业内的深入应用。
目前针对倾斜摄影测量三维模型的精度分析问题，采用单镜头多旋翼的消费级无人机采集倾斜摄影影像数据，利用 Altizure 地面控制系统和 Pix4d Mapper 建模软件，快速构建试验区的实景三维模型，试验结果满足精度要求，并且提高了三维建模的效率，降低了三维模型的经济与技术成本。以六旋翼无人机搭载五镜头相机在不同相对航高、重叠率等情况下进行倾斜摄影测量，建立高分辨率、高精度三维实景模型，通过对比分析三维模型精度，总结出保证相对航高小，航向、旁向重叠度尽量增大等可以提高精度的结论。通过无人机获取的影像，在Smart3D Capture软件中分别以 46个、30 个、10个、4个外业控制点参与区域网平差解算，最后生成三维模型。用高精度GPS测量50个控制点与真三维场景的同名点坐标对比得到残差值，计算出的平面中误差和高程中误差均满足《三维地理信息模型数据产品规范》的要求。基于DM5-2010倾斜摄影测量系统获取哈尔滨文昌污水处理区倾斜影像进行实景三维模型构建试验，对三维大场景整体完整，色彩均匀，三维模型无破洞等进行查看，利用15个控制点进行几何精度评估，其中平面中误差、高程中误差均满足倾斜摄影三维产品规范中 1:1000比例尺成图规范要求。但是，至今很少有学者针对消费级无人机搭载轻型便捷的倾斜相机生成的三维模型进行精度分析。
1.1 数据获取
本文以北京建筑大学大兴校区为实验测区。该校区占地50. 1 万平方米，测区地势比较平坦，测区内无高层建筑物。试验利用消费级无人机大疆精灵4搭载轻型便捷的KG2000 Pro五镜头倾斜相机(图1) ，分4个测区进行数据采集，飞行航线布设如图2所示，总共获取下视影像766张，4个方向的倾斜影像2943张。相机参数见表1。实验采用 RTK 测量模式进行控制点和检查点的采集，平面精度和高程精度均优于5cm，其中测区坐标系统为WGS-84 坐标系。
图1 精灵4搭载五镜头相机
图2 飞行航线布设
本次实验共采集63个控制点，控制点的点位图及点的坐标数据如图3、表2所示。
（a）全局
（b）细节
图3 控制点的点位图
1. 2 消费级无人机倾斜摄影三维重建控制点布设方案
由于消费级无人机体积小、重量轻，在航拍时受气流、风力、风向影响比较大。根据无人机飞行不稳定，飞行时航偏角、俯仰角、翻滚角等姿态角值较大，另外航测获取的影像像幅小，影像数据量大，航向、旁向重叠度不规则等特点，本次实验采用加强测区边角控制的方法，使用相同的倾斜摄影影像数据，利用3种像控点布设方案进行空中三角测量，对其生成的模型对比分析。方案一在测区周边均匀布设12个控制点; 方案二在方案一的基础上分别在测区四角点处增加控制点，共16个控制点; 方案三在整个测区均匀布设控制点，测区四角点增设控制点，共19个控制点参与空中三角测量加密。像控点布设如图4所示。
4空中三角测量控制点的布点方式
( 三角形为控制点，圆圈为检查点)
1.3 基于 Smart3D Capture 平台的实景三维重建
Smart3D Capture 平台由法国 Acute3D 公司研发。该平台集成了世界上先进的计算机视觉三维重建算法，经过空中三角测量、密集匹配、构建三角网、纹理映射等过程对航空影像进行处理，无需人工干预，即可高效率、高精度地完成实景三维模型构建。将上述3种控制点布设的方案分别引入到三维实景建模过程中，生成三维实景模型如图5所示。
图5 实景三维模型数据
评价三维模型的整体精度，主要是将参与空中三角测量加密的实测控制点坐标与实际三维模型量测的对应点坐标求取中误差。通过表2选取40个控制点的坐标作为真值，在三维模型上量测相对应点的三维坐标。通过对比分析，得到 X 方向、Y 方 向、Z 方向的残差值，通过式(1) 、式(2) 、式(3) 、式 (4) 计算得到平面中误差、高程中误差见表3。依据CH /T 9015—2012《三维地理信息模型数据产品规范》中规定三维模型产品的平面中误差标准见表4，高程中误差标准见表5，根据中误差值来评定消费级无人机搭载轻型便捷的倾斜相机的倾斜摄影测量的实景三维模型的精度。
其中: Δx 为每个检查点在 X 方向的残差值; Δy 为每个检查点在 Y 方向的残差值; Δh 为每个检查点在 Z方向的残差值; n 为检查点数量; mx 为 X 方向的中误差; my 为 Y 方向的中误差; ms 为平面中误差; mh为高程中误差。
根据表3中3组实验的40个检查点的平面、高程中误差数据绘制如图6所示通过图6实验结果统计对比得出:
1) 基于消费级无人机搭载轻型便捷的KG2000 Pro倾斜相机的倾斜摄影测量，利用Smart3D Cap-ture 软件制作实景三维模型，平面中误差最大为0.13m，高程中误差最大为0. 074 647 m，满足 CH /T 9015—2012《三维地理信息模型数据产品规范》中 I 级1:500成图比例尺三维模型产品规定的平面中误差小于0.3m，高程中误差小于0.5m的要求。
2) 通过3组三维模型的平面、高程精度数据对比可知，随着控制点的数量增多，倾斜摄影三维模型精度不断提高，空中三角测量精度是实景三维模型精度的前提，当然空三精度也会提高，并不是一味增加控制点，模型精度都会不断提高，当控制点数量增加到饱和状态时，精度也会达到一定的水平且保持不变。
1) 根据消费级无人机搭载轻型便捷倾斜相机获取数据的特点，采用测区周围均匀布设及加强测区边角控制的控制点布设方法，进行空中三角测量并引入到实景三维模型重建当中，通过选取的检查点对生成的实景三维模型进行精度评价，其结果均满足 CH /T 9015—2012《三维地理信息模型数据产品规范》中Ⅰ级规范要求。
2) 本文以北京建筑大学大兴校区为实验测区，通过3组实验对消费级无人机搭载轻型便捷的KG2000 Pro 倾斜相机获取的影像数据生成的三维模型进行精度分析。实验结果证明基于消费级无人机搭载轻型便捷的倾斜相机进行实景三维模型生产，满足CH/T 9015—2012《三维地理信息模型数据产品规范》中Ⅰ级1:500成图比例尺三维模型产品的规范要求。
3) 利用消费级无人机搭载轻型便捷倾斜相机的倾斜摄影测量技术，对小区域测区能够快速生成“全要素、全纹理”的实景三维模型，克服了低效率高成本的手工建模、人机交互建模等传统方式。从三维信息获取速度、可靠性、精度值以及灵活性上来说，三维倾斜模型能够满足绝大多数实际要求。对城市决策人员而言，能够显著提高建设规划用地、城市景观辅助设计、城市辅助决策等方面的工作效率，对改变传统城市规划决策模式，实现城市可持续发展具有重要意义。
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