張光祖,王春,徐燕,陶宇,吳亮,盛帥

(1.安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001;2.實景地理環(huán)境安徽省重點實驗室,安徽 滁州 239000;3.滁州學院 地理信息與旅游學院,安徽 滁州 239000)

0 引 言

實景模型是對現(xiàn)實世界的虛擬表達,能真實直觀地還原地物地貌特征,被廣泛應用于城市規(guī)劃[1]、資源管理[2]、應急指揮[3]等方面．當下對于實景模型構建的數(shù)據(jù)源主要包括大例尺地形圖和外業(yè)人工拍照組合[4-5]、激光點云數(shù)據(jù)[6-7]和傳統(tǒng)航空攝影測量[8],雖然由此構建的實景模型取得了良好的應用效果,但存在更新慢、成本高、效率低等問題,制約了實景模型的發(fā)展[9]．

隨著無人機傾斜攝影測量的出現(xiàn),實景模型的構建進入了新的發(fā)展階段．然而,無人機所搭載的非量測相機像幅小、航向和旁向重疊度大,依據(jù)傳統(tǒng)航攝要求布設的像控點數(shù)量需成倍增加[10],像控點的布設和測量成為制約生產效率的重要因素之一．目前已有學者研究指出像控點的數(shù)量、分布對航測精度產生影響:蘇世偉等[11]指出像控點數(shù)量對航攝精度的影響并非呈線性關系;周旺輝等[12]指出四周均勻加少量內部控制的方法為最優(yōu)布點方式,朱進等[13]認為四角點組的方式布設像控點可提高空三精度,但都基于規(guī)則測區(qū)的像控點布設方法,在非規(guī)則測區(qū)應用效果有限．在測圖生產中:買小爭等[14]提出隔航帶、隔6條基線的方式布設像控點,可滿足1∶1000 正射影像制圖精度;彭凱笛等[15]建議在大比例尺測圖時使用四角中心點方式布設像控點;李萬能等[16]指出根據(jù)地形調整網狀點位布設間距,在有效減少冗余像控點的基礎上,航測結果滿足1∶2000 地形圖精度要求．

以上研究均表明,像控點的布設數(shù)量和位置,對實景模型精度、外業(yè)測繪工作量、模型構建成本等會產生很大影響．非規(guī)則測區(qū)由于其邊緣形態(tài)各異,如何選取最少像控點數(shù)量、最佳像控點布設位置,從而實現(xiàn)最高精度實景模型的構建,還有待進一步研究．鑒于此,本文采取邊緣布設、邊緣加少量中心布設、中心布設三種不同的像控點布設方式進行實景模型構建,對比分析像控點數(shù)量和布設位置對非規(guī)則區(qū)域模型精度的影響特征．

1 實景模型構建技術流程

傾斜攝影建模的主要步驟有:數(shù)據(jù)預處理、區(qū)域網聯(lián)合平差、多視角影像匹配、數(shù)字表面模型(DSM)生成和正射糾正等[17]．1)數(shù)據(jù)預處理階段需要對影像進行篩選,剔除不合格的像片,確定相機參數(shù),整理影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù),確保每張影像信息的完整；2)結合影像姿態(tài)位置數(shù)據(jù)和地面控制點點坐標進行區(qū)域網聯(lián)合平差,解算出像片方位元素；3)利用多基元匹配算法獲得加密特征點云并構建格網模型；4)紋理映射,為格網模型覆蓋上最匹配的真實影像．5)對輸出的實景模型進行精度驗證．技術流程如圖1所示．

圖1 技術流程

2 工程實踐

2.1 像控點的布設

本次實驗區(qū)為臨泉縣某區(qū)域,面積0.25 km2,測區(qū)形態(tài)為非規(guī)則多邊形,根據(jù)實際形態(tài)特征設計了三種像控點布設方案.

方案一:邊緣布設,根據(jù)測區(qū)實際形態(tài),在測區(qū)邊緣布設像控點,像控點依次連線構成的面盡量包含整個測區(qū),本次布設5個點,如圖2(a)所示．

方案二:邊緣加少量中心布設,在滿足邊緣布設的情況下,測區(qū)中部增設少量像控點,本次共布設8個像控點,如圖2(b)所示．

方案三:中心布設,僅在測區(qū)中部布設像控點,本次布設5個像控點,如圖2(c)所示．

依據(jù)外業(yè)控制點的布設規(guī)范,像控點布設在空曠、地表起伏較小的區(qū)域．另在測區(qū)內布設10個檢核點,在連接地面參考站(CORS)的情況下使用實時動態(tài)(RTK)差分技術測量點位坐標,用于模型精度檢查．

(a) 邊緣布設

(b) 邊緣加少量中心布設

(c) 中心布設圖2 像控點布設分布圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與建模

大疆精靈4 RTK為多旋翼小型無人機，如圖3所示,飛行方式靈活,可自由調整鏡頭傾角,集成的RTK模塊可有效提高影像的定位定姿(POS)精度,滿足高精度航攝的要求．設置航向重疊、旁向重疊均為80%,飛行高度100 m,鏡頭傾角60°,對測區(qū)進行數(shù)據(jù)采集,最終獲得5 351張航空影像．外業(yè)航測信息如表1所示．

圖3 大疆精靈4 RTK 無人機

表1 航測信息表

本次實驗利用Context Capture軟件構建實景模型,以邊緣布設為例,構建模型如圖4所示,紋理細節(jié)逼真．

(a) 全區(qū)模型 (b) 局部模型圖4 模型效果展示

3 模型精度分析

3.1 像控點精度驗證

由于像控點對模型精度有重要影響,在對三種方案所得實景模型進行精度評價前,先驗證像控點的精度,以避免像控點測量粗差或像控點被破壞對模型精度的影響．綜合三種像控點布設方案共得到10個不同位置的像控點,結合影像POS數(shù)據(jù)進行空中三角測量．像控點空三解算質量報告如表2所示．

由空三解算結果可知,重投影中誤差均在1個像素點以內,準確度很高;像控點水平中誤差為0.006 m,垂直中誤差為0.007 m．像控點精度高,均可用于實景模型的構建．

表2 像控點質量表

3.2 點位精度分析

對使用不同方案構建得到的模型做點位精度分析,以檢核點的RTK測量坐標為真值,對應的模型點坐標為測量值,檢核各方案構建模型的點位精度．中誤差計算公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:n為檢核點數(shù)量;Δxi,Δyi,Δzi為各點位真誤差; ?x,?y,?z為各軸向中誤差;?xy為平面中誤差．

計算得到各模型的平面中誤差和高程中誤差,結果如表3所示;各檢核點平面誤差和高程誤差如圖5～6所示．分析可知:

1) 方案一:模型平面誤差在0.0103～0.0496 m,RMSE平面為0.033 4 m;高程誤差在0.0014～0.0778 m,RMSE高程為0.039 8 m．方案二模型平面誤差在0.0106～0.0463 m,RMSE平面為0.029 8 m;高程誤差在0.0019～0.0638 m,RMSE高程為0.0408 m．方案三模型平面誤差在0.0123～0.0725 m,RMSE平面為0.045 8 m,平面誤差超過5 cm的檢核點有5個;高程誤差在0.00550～0.0934 m,RMSE高程為0.053 3 m．

2) 由方案一和方案二可知:根據(jù)非規(guī)則測區(qū)邊緣形態(tài),兩種方案所得模型精度均滿足1∶500 比例尺測圖精度要求;在測區(qū)中部增加3個中心像控點時,模型平面精度僅提升0.003 6 m．在像控點布設位置合適的情況下,增加像控點布設數(shù)量對模型精度影響較低．

3) 中心布設像控點的方式所得模型精度無法滿足1∶500 比例尺測圖精度要求,外業(yè)布設像控點時應注意避免該點位布設方案,像控點不應僅布設在測區(qū)中部．

表3 檢核點精度 m

圖5 檢核點平面精度

圖6 檢核點高程精度

3.3 幾何精度分析

由于實景模型中有大量建筑、道路等幾何結構,僅考慮點位誤差忽略了模型的幾何精度,對模型的精度評價也顯得單一．在模型內選擇若干點連線,L1、L4、L5為東西方向、L2、L3為南北方向,通過線段誤差對模型的幾何精度做進一步分析．以實測值作為真值,模型上測量三次線段長度取平均值作為測量值,三種方案線段相對精度如表4所示，線段長度誤差如圖7所示．分析可知:

1) 三種方案構建的模型線段相對精度均在0.015%以內,模型幾何精度較高,具有良好的應用價值．

2) 三種方案構建的模型中線段L2、L3、L5的長度誤差相同,像控點的布設方式以及數(shù)量對模型的幾何精度影響較?。?/p>

表4 線段相對誤差

圖7 線段長度誤差

3.4 普適性驗證

另選兩塊形狀不同的非規(guī)則驗證區(qū),面積分別為0.27 km2和0.28 km2．在檢核像控點精度滿足建模要求的情況下做相同實驗,驗證所得結果的普適性,像控點布設方案如表5所示．驗證區(qū)一、二的點位精度分別如圖8～11所示,線段相對精度如表6～7所示．對比分析可得如下結論:

1) 方案一和方案二的點位精度均滿足1∶500比例尺測圖要求．兩個驗證區(qū)的方案三中,分別有2個和1個檢核點平面誤差大于1∶500 比例尺測圖規(guī)范要求．

2) 兩個驗證區(qū)模型的幾何精度都很高,線段相對精度分別小于0.016%和0.015%．

總體上來看,兩個驗證區(qū)的精度結果和實驗區(qū)相符,實驗區(qū)的結果具有普適性．

表5 驗證區(qū)像控點分布

表6 驗證區(qū)一線段相對精度

表7 驗證區(qū)二線段相對精度

圖8 驗證區(qū)一平面精度 圖9 驗證區(qū)一高程精度

圖10 驗證區(qū)二平面精度 圖11 驗證區(qū)二高程精度

4 結 論

本文實驗區(qū)和驗證區(qū)均為面積為0.3 km2左右的小范圍非規(guī)則區(qū)域,地物要素豐富,實驗數(shù)據(jù)為航拍分辨率2 cm的影像,按照三種像控點布設方式構建實景模型,并進行精度分析,得到以下結論:

1) 根據(jù)非規(guī)則測區(qū)實際形態(tài)特征,按照邊緣布設五個像控點和邊緣加少量中心布設八個像控點建立的實景模型,模型精度均滿足1∶500 大比例尺測圖精度要求．當考慮成本更加經濟、效率更高時選擇邊緣布設像控點方式;當考慮到模型精度的檢核需要時,可選擇邊緣加少量中心布設的方式．

2) 像控點位置對模型精度有較大影響．應優(yōu)先考慮對非規(guī)則測區(qū)的邊緣控制,像控點連線形成的凸多邊形應盡量多地包含整個非規(guī)則測區(qū)．僅在測區(qū)中部布設像控點時,模型邊緣精度無法滿足1∶500 比例尺精度要求．

3) 像控點數(shù)量對實景模型精度影響與布設位置有關:當像控點布設位置較差時,如中心像控,像控點數(shù)量對模型精度影響較大;當像控點位置比較理想,如達到邊緣控制的要求,增加像控點布設數(shù)量并不能顯著提升實景模型精度．

4) 通過調整像控點布設位置可在保證精度的情況下有效減少像控點的布設數(shù)量,但無法在構建高精度模型時免除像控點,未來免像控高精度建模仍是需要努力的方向．