當(dāng)前，無人機(jī)作為一種快速、有效的影像獲取手段，不僅彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)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(shù)支持。本文對(duì)基于低空無人機(jī)影像的城市三維模型構(gòu)建展開了介紹，分析低空無人機(jī)影像城市三維建模的精度評(píng)估，并通過研究區(qū)域的三維模型、成圖結(jié)果的精度進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)表明：利用低空無人機(jī)攝像控制點(diǎn)布設(shè)，可達(dá)到三維模型精度要求，旨在為有關(guān)需要提供幫助。

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的不斷發(fā)展以及科技的日益進(jìn)步，城市地理信息已從二維轉(zhuǎn)向三維的方向發(fā)展，城市三維建模 已成為當(dāng)前城市建設(shè)的重要工作之一，并對(duì)城市建設(shè)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。而低空無人機(jī)在城市三維建模中具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)此，本文展開了相關(guān)介紹。

1　低空無人機(jī)影像城市三維模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建過程主要為外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)、航拍飛行、內(nèi)業(yè)處理。在建構(gòu)模型中，因所使用的設(shè)備極其昂貴，而且航高較高，飛行中機(jī)動(dòng)靈活較差，通常選擇無人6機(jī)低空攝影測(cè)量的方法進(jìn)行。多視立體航攝儀重量較重，而無人機(jī)載荷較差，難以承載，因而通常選擇測(cè)輕小型相機(jī)進(jìn)行航拍。無人機(jī)多視立體航攝系統(tǒng)是利用多個(gè)輕小型非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)而成的。因系統(tǒng)由非量測(cè)型相機(jī)構(gòu)成，因而需相機(jī)檢校標(biāo)定，以確保其拍攝的準(zhǔn)確度。本次研究在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上構(gòu)建多角度立體化航拍系統(tǒng)，以無人機(jī)全流程檢測(cè)?，F(xiàn)將具體情況，以圖1形式展現(xiàn)出來。

圖1　建模結(jié)構(gòu)圖示

2　三維建模精度分析

2.1　城市結(jié)構(gòu)與建模

構(gòu)建城市模型的關(guān)鍵是微觀層面，建立LOD。在劃分級(jí)別數(shù)方面，City GML中將城市三維模型劃分為5種級(jí)別。詳見表1。

級(jí)別的差異對(duì)于點(diǎn)位精確度也有一定影響，此級(jí)別的分級(jí)方式在建筑物的應(yīng)用中適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)于實(shí)際城建而言，卻還存在較多不適應(yīng)之處。城市三維建模技術(shù)規(guī)范對(duì)實(shí)際的建筑建模劃分方式詳見表2。

2.2　控制點(diǎn)布設(shè)方案

城市三維建模規(guī)范之中在建筑物地形圖設(shè)計(jì)時(shí)，輪廓線比例應(yīng)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(cè)量后實(shí)地拍攝為基礎(chǔ)。后可借助DOM 數(shù)據(jù)構(gòu)建或?qū)嵉嘏臄z處理圖像紋理。而針對(duì)建筑物平面設(shè)計(jì)過程中，最佳比例應(yīng)維持在1∶500到1∶2000之間，確保三維模型所得數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)相契合。

低空數(shù)字航空攝影采用1∶1000比例尺進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其平面/高程精度為1m*0.4m，采用1∶500比例尺進(jìn)行測(cè)量時(shí)，平面/高程精度為0.5m*0.4m。按照城市三維建模技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，建筑模型的平面/高程精度為0.5m*0.5m，三維模型數(shù)據(jù)與地形圖數(shù)據(jù)套合。

結(jié)合上述要求，城市三維模型確定經(jīng)地空航空拍攝，可節(jié)省人力物力，圖像收集的效果較好。低空航拍結(jié)合數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于三維模型建立之中，還應(yīng)對(duì)各控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)與安排制定嚴(yán)格規(guī)范。常規(guī)低空無人機(jī)拍攝時(shí)可以較高的精度完成定位任務(wù)，可見主要的兩布點(diǎn)，即全野外布點(diǎn)和區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)。該布點(diǎn)模式之中全野外布點(diǎn)模式也可分為全能和綜合兩種，需針對(duì)具體實(shí)際情況進(jìn)行改善。城市構(gòu)建可通過野外布點(diǎn)大幅度增加不必要工作量，可廣泛運(yùn)用區(qū)域網(wǎng)布局點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)。

本文中構(gòu)建建筑三維模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于輕小型多視立體航攝儀航攝，該設(shè)備由中測(cè)新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司提供，焦距：下視35mm，側(cè)視55mm。像元4.9μm，下視焦距35mm，以1∶1000為圖示比例，設(shè)定航拍高度為571m，具體實(shí)施航拍，詳見表3。

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

無人機(jī)航拍過程中，相鄰平面控制點(diǎn)間隔基線計(jì)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(jì)算。

相鄰高度控制點(diǎn)基線計(jì)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(jīng)計(jì)算分析，7條航線應(yīng)布設(shè)一個(gè)平高點(diǎn)，旁向航線均布設(shè)平高點(diǎn)。在布設(shè)檢查點(diǎn)中，檢查點(diǎn)應(yīng)均勻在建模區(qū)域內(nèi)，其位置應(yīng)遠(yuǎn)離控制點(diǎn)位置，兩者不可在同一位置。放頂檢查可占據(jù)2/3比例，而地面點(diǎn)位可占1/3比例。

3　試驗(yàn)情況

3.1　測(cè)區(qū)概況

此次試驗(yàn)中航攝面積約4km2，區(qū)域范圍坐標(biāo)見表4。

3.2　試驗(yàn)設(shè)備情況

ZC-2無人機(jī)的使用，可清晰觀察建筑具體情況，便于建筑設(shè)計(jì)及布局。其作為本次實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，改裝無人機(jī)型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其質(zhì)量較小，飛行姿態(tài)穩(wěn)定，維護(hù)成本較低。

本次試驗(yàn)可考慮以TOPDC-5UA 遙感傳感器五視立體航拍設(shè)備航拍，其可準(zhǔn)確傳回信號(hào)，可穩(wěn)定同步曝光，運(yùn)行可靠性高。參數(shù)設(shè)置較為簡(jiǎn)便，還可調(diào)整遠(yuǎn)程姿態(tài)，便于連接和拔除。具體內(nèi)容如圖2所示，相機(jī)參數(shù)如表5所示。

圖2　遙感器為TOPDC-5UA的遙感系統(tǒng)

3.3　布設(shè)控制點(diǎn)及獲取影響情況

控制點(diǎn)布設(shè)及影響獲取實(shí)驗(yàn)中，本次共布設(shè)控制點(diǎn)53個(gè)。其中，共有8個(gè)方頂點(diǎn)，11個(gè)檢查點(diǎn)布設(shè)。在本次試驗(yàn)中，共設(shè)有航拍飛行線14條，總長(zhǎng)度85km。航線可完全覆蓋測(cè)區(qū)，呈像清晰。

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

4　數(shù)據(jù)處理與分析

4.1　數(shù)據(jù)處理

使用Photoscan軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，其中包括影像、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)檢校數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。新建工程，將影像導(dǎo)入，并分為前、后、左、右、下視5組，將POS值導(dǎo)入，對(duì)初始值進(jìn)行匹配，后輸入校驗(yàn)相機(jī)取得參數(shù)。將影像的匹配定向操作，與POS數(shù)值相結(jié)合取得相機(jī)校驗(yàn)參數(shù)。這一過程中軟件可自動(dòng)生成系數(shù)點(diǎn)的運(yùn)輸局，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)及結(jié)果調(diào)整相關(guān)錯(cuò)誤照片匹配，保證所得坐標(biāo)精度能滿足要求。加入相應(yīng)的控制點(diǎn)并刺在影像上，計(jì)算平差，評(píng)估控制點(diǎn)和匹配點(diǎn)的粗差值，控制點(diǎn)誤差超出要求則繼續(xù)調(diào)整，刪除誤匹配點(diǎn)。去掉匹配錯(cuò)誤的位置后，在云端進(jìn)行密集點(diǎn)匹配，再通過軟件生成三角網(wǎng)。針對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行編輯與處理后行貼紋處理，后將模型于軟件內(nèi)部模型生成，將其以文件形式輸出。

4.2　數(shù)據(jù)分析

控制點(diǎn)精度及檢查點(diǎn)精度具體情況，如圖3所示。

計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，控制點(diǎn)平面及高程中，最大誤差數(shù)據(jù)為±0.38m。所有達(dá)到空三規(guī)范的各控制點(diǎn)及平面誤差結(jié)果均為0.4m以下。后針對(duì)各大檢查點(diǎn)進(jìn)行檢查，可知平面及高程誤差分別為0.45m和-0.58m?？杖?guī)范的1∶1000達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)中檢查點(diǎn)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(duì)13個(gè)模型進(jìn)行測(cè)量。得到其坐標(biāo)后對(duì)比實(shí)地與室內(nèi)坐標(biāo)差異，計(jì)算與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。本次建模測(cè)量數(shù)據(jù)相比，三維模型的點(diǎn)平面差值為0.47m，高度為0.52m，總平面及高程標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.25m、0.08m，表明利用低空無人機(jī)攝像控制點(diǎn)布設(shè)，可達(dá)到三維模型精度要求如圖4所示。

圖3　控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)精度分析示意圖

圖4　模型精度分析

5　結(jié)束語

城市三維建模過程中精度是模型的關(guān)鍵，其影響到模型的可靠性，關(guān)系到城市未來的發(fā)展。因此，在進(jìn)行城市三維建模過程中，必須重視對(duì)精度的評(píng)估。本文介紹了低空無人機(jī)影像控制點(diǎn)布設(shè)的具體操作過程，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用該方法評(píng)估城市三維建設(shè)模型的精度，具有較高可行性，值得進(jìn)行推廣。