无人机航测像控点布设方式对实景三维模型成果精度的影响研究

黄维

摘要：无人机航空摄影测量技术是一种快速有效的测绘手段，像控点的布设方式是影响测区实景三维模型精确度的重要影响因素。文章以长沙职业技术学院校园为研究区域，设置不同数量及分布的像控点布设对比方案，以大疆无人机航拍获取的校园影像作为数据源，采用对比分析的研究方法设计周边布设、中心布设、均匀布设及无布设4种像控点布设方案，试验方案的变量为像控点的分布情况，通过实景建模软件Context Capture处理外业采集的数据，比较模型空三加密点精度、检查点精度、几何精度，分析无人机地面像控点的不同布设方式对实景三维模型建模精度的影响，探讨满足规范精度要求的像控点优化布设方式。

关键词：无人机航测；像控点布设；实景三维模型；精度分析

中图分类号：P258 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0080-04

0 引言

在无人机技术和数字摄影技术快速发展的背景下，具有测速效率高、实景表现效果直接等优势的无人机航空摄影测量技术发展迅速，被廣泛应用于国土测绘、选线设计、环境监测、应急救灾等众多领域［1］。无人机航空摄影测量技术应用中，像控点的布设方式和数据处理是影响无人机航空摄影效率及成果精度的关键因素［2］，会从模型成果数据的信度、准度和可用性3个方面对测绘过程的作业效率、生产成本、劳动强度等产生直接影响。

本文以长沙职业技术学院校园为研究区域，航测数据来源为大疆无人机拍摄的校园影像。采用对比分析的研究方法设置不同的实验方案，试验方案的变量为像控点的分布情况，基于实景建模软件Context Capture配合倾斜摄影测量方法完成实景三维建模工作，并通过软件处理外业采集的数据，比较模型空三加密点精度、检查点精度和几何精度，分析无人机地面像控点的不同布设方式对实景三维模型建模精度的影响机制，探讨满足规范精度要求的像控点优化布设方式，验证可视化三维实景模型的可行性及精度的可靠性，为智慧城市、智慧校园建设提供关键技术保障。

1 外业航摄数据采集

1.1 测区概况

测区位于湖南省长沙市湘江新区，地理坐标大致为北纬28°12′53.3″，东经122°50′24.3″，面积约0.3 km2，南北方向约0.45 km，东西走向约0.65 km，高程为52 m左右。地区属于亚热带大陆性季风气候，冬寒夏热，四季分明，春秋短促，冬夏绵长。校区基本地形为西高东低，地势开阔，无高大建筑，适合无人机航测数据的采集。

1.2 航拍参数

航拍设备采用“大疆”精灵4 PRO航拍无人机搭配高清相机，无人机三挡飞行模式可以应对不同场景的航拍，运动模式下的飞行速度达到72 km/h，满足高速航拍的要求。机身前、后方及底部均配置视觉传感器，机身左右两侧配置红外传感器，五向环境感知功能可大幅提升飞行安全性，OcuSync 2.0 系统可实现10 km图像传输。搭配的广角镜头由7组8片全玻璃镜片组成，具备出色的解析力，可以呈现细节丰富的成像效果，具有2 000万像素的CMOS（金属氧化物）影像传感器和12 800的感光器，在暗光拍摄下可展现更多细节；搭载的高性能影像处理器支持H.265编码格式，可以拍摄分辨率为4 000、帧数为60的视频。航测飞行一共6次，完成高重叠度航拍，同一航线上相邻相片的纵向重叠率设置为80%，横向重叠率设置为65%，相对飞行高度为60 m，地面分辨率为1 cm，飞行时间为120 min，获取照片2 474张。

2 像控点布设优化方案及实践

2.1 布设要求

像控点的布设方式与数量直接决定后续成果的精度，并影响成果真实的地理坐标［3］。在选取和布置像控点时，要遵守一些基本的规则，考虑地形情况、拍摄数据及信息处理方式等影响因素，像控点的布置要求具体如下。

（1）像控点通常选择比较锋利的特征点，例如斑马线角点、道路引导箭头顶点，尽可能选在固定、平坦、清晰、易于辨识的地方，避开树木和房屋角落等易受阻碍的地方。

（2）手动标记像控点的大小要超过70 cm，可以用红漆进行喷涂标记，图案要有一定的边角，方便内业技术人员清楚地看到定位部位。

（3）附上2～4张实况照片表示像控点所处的定位，其中要求有一幅近距离定位图和一幅周围环境定位图。尽可能设置一个地面标记或选取一个容易识别的显著靶点，提升图像控制的准确性和可靠性。

（4）像控点布置完后，做好草图笔记，以便内业技术人员进行控制点刺点工作。

2.2 像控点布设方案设计

本文测区整体形态为较规则的长方形，依据像控点布设要求，综合考虑测区的面积、地形地貌、建筑密度等因素，设计布设方式。进行野外布点，通过实地勘测，选择清晰可辨的地物特征点作为控制点，控制点均为平高控制点，数量总共36个，其中像控点为20个，检查点为16个，用符号Pt表示。通过网络RTK（实时动态）技术测量控制点坐标，为保证CORS （跨域资源共享）系统的稳定性，采用“合众思壮” RTK UFO U5连接CORS 系统，对校园外的3个E级GPS控制点进行动态定位测试和复核，然后精确测量36个控制点的平面坐标和高程，将实测数据作为真值用于数据对比。

在内业处理时，设计4种像控点布设方案（布设参数见表1，像控点分布情况如图1所示），分别进行刺点和空三加密平差处理。方案1 采用周边布控的方式布设10个像控点，像控点均在测区边界线相近的位置，相邻的点依次串联构成的面尽可能覆盖整个测区。方案2相较方案1，像控点数量相同，但位置分布在测区中部区域，采用的是中心布控的方式。方案3布设的10个像控点位置则结合了周边布控和中心布控2种方式，在边缘布设的同时，还在测区中部增设少量的点，像控点均匀布控在整个测区中。方案4未布设像控点，以无像控点方案作为初始的对照数据，与不同像控点布设方式下空三加密的结果进行点位精度对比分析，并与不同像控点布设方式下三维模型中的几何长度进行长度检查分析。

2.3 空中三角测量

空中三角测量是无人机倾斜摄影后期数据处理的关键步骤，其结构精度直接作用于后续数据处理成果［4］。本文空三处理采用实景建模软件Context Capture，将航测拍摄的相片分组添加到软件，设置选项为图像坐标选择“WGS84经纬度坐标系”、地理定位精度选择“标准”、选择“POS文件”、选择“软件自动识别相机型号”；选择输出的坐标系与控制点坐标系应一致。根据4种不同的像控点布设方案分别导入相应的像控点成果数据，手动操作在图片中找到像控点的准确位置并进行标记；依次完成刺点工作，再次进行空三加密获得准确的影像外方位数据；空三完成后点击空间框架，在提交生产项目目标选项中选择“参考三维模型”，提交新的生产项目并选择“正射影像”。结合影像POS（Position Orientation System）数据对长沙职业技术学院校区建筑群进行空中三角测量和三维重建，以方案3为示范，由实景建模软件Context Capture生成空中三角测量结果（如图2所示），三维模型瓦片合并（如图3所示），三维重建的整体实景三维模型（如图4所示）。

3 模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

利用网络RTK技术精确测量16个野外检查点的3个方向的坐标真值（x、y、z，单位为mm），与4种布设方案的检查点空三解算坐标值（x'、y'、z'，mm）进行对比，分别计算坐标真中误差Δx、Δy、Δz，利用公式（1）计算4种方案设计的检查点的平均平面坐标中误差和高程中误差，得到各方案检查点的统计结果（见表2），在此基础上依据点位精度数据，分析不同像控点布设方案对空中三角测量精度的影响。

依据我国测绘行业标准《三维地理信息模型数据产品规范》，1∶500成图比例模型的要求是平面精度为0.3 m，高程精度为0.5 m，本文设计的4种像控点布设方案获取的航测数据构建模型，均满足规范中对于I级产品的精度要求。

表2中的数据显示像控点布设方式对实景三维模型的精度有明显的差异性影响。方案1采用的是测区周边布设像控点的方式，平面中误差为0.060 2 m，高程中误差为0.055 8 m，因为研究区域整体形态为长方形且地势平坦、地形变化较小，所以模型精度较高。方案2构建的实景模型精度较低，平面中误差和高程中误差分别为0.085 0 m和0.065 4 m，由于测区面积较小，中心布置的像控点能基本覆盖研究区域，因此构建的模型精度也能够满足基本要求。方案3将像控点均匀布置在测区内，较好地模拟了场地的地形地势特征，构建的实景三维模型平面中误差为0.028 8 m，高程中误差为0.023 7 m，相比其他3种方案模型精度最高。方案4没有布置像控点，平面精度和高程精度最低。4组像控点布置方案的模型精度由高到低依次为方案3、方案1、方案2、方案4。

3.2 几何精度分析

在点位精度检核的基础上，分析研究区域实景三维模型的几何精度。以研究不同像控点布设方案对模型几何精度的影响为目标，以线段的形式，實地量测测区内的建筑或道路的长度，评定测区实景三维模型的几何精度。

为综合评定实景三维模型的几何精度，按长度差异选择了6段不同方向的建筑连线，前3段（L1-L3）为长线段，对应的实地量测长度分别为110.025 m、120.101 m、80.025 m；后3段（L4-L6）为短线段，实地量测长度分别为30.011 m、18.015 m、6.005 m。将测区内的实地量测结果与实景三维模型上的长度数据进行对比分析，得到模型的几何精度情况见表3。

数据显示，4种像控点布设方案构建模型的几何精度都满足规范要求，相对精度数值基本达到99.6％以上，并且短线段几何长度的精度明显低于长线段，几何精度最高的实景模型是方案3。因此，为使实景三维模型更贴近测区内建筑真值，布设像控点时，在满足测区边缘形态的要求的基础上，可在中心区域均匀地增加像控点，能在一定程度上相对提高模型的几何精度，并且像控点布设方式对模型几何精度的影响在较短的建筑连线中更显著。

4 结语

本文以长沙职业技术学院校园为研究区域，分别采用周边布设、中心布设、均匀布设及无布设4种方式设计像控点布设方案，依据无人机航测影像数据构建实景三维模型，对比分析模型的检查点平面及高差精度、建筑连线几何精度。分析结果显示，像控点布设方式对模型几何精度的影响在较短的建筑连线中更显著；相较单纯的周边布设和中心布设2种像控点布设方案，将2种布设方式结合的方案最合理，即在边缘布设的同时，在测区中部均匀布置少量像控点，可有效提高模型精度。在实际工程项目中，运用无人机航测构建实景三维模型的工作量普遍较大，应根据测区形态特征、地形地势、建筑分布等实际情况，充分考虑像控点布设方式对检查点精度和几何精度的影响，在满足规范和应用要求的情况下，优化像控点布设方案，按需布置像控点，最终达到降低建模成本，提高工作效率的目的。

5 参考文献

［1］周吕，李青逊，权菲，等.基于无人机倾斜摄影测量三维建模及精度评价［J］.水力发电，2020，46（4）：41-45，50.

［2］刘俊楠，刘海砚，陈晓慧，等.测绘领域研究热点可视化分析［J］.科学技术与工程，2019，19（32）：43-51.

［3］桑文刚，李娜，韩峰，等.小区域消费级无人机倾斜摄影像控点布设及建模精度研究［J］.测绘通报，2019（10）：93-96.

［4］王丙涛，王继.基于倾斜摄影技术的三维建模生产与质量分析［J］.城市勘测，2015（5）：80-82，85.