无人机低空倾斜摄影测量精度实证研究

李 彪,闫 勇,杨化超 ,卞和方

(1. 山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272072； 2. 中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州 221116)

传统航空摄影测量多采用基于单镜头的垂直摄影测量模式进行航空数字影像采集，通常要求航摄相机的摄影主光轴近似铅垂方向，以减小影像变形对后续数据处理的影响,尤其是空三匹配及密集匹配阶段。垂直摄影测量的主要缺陷在于：

(1)近垂直摄影的航拍影像易受地物遮挡的影响；

(2)获取的被摄目标的纹理质量不佳；

(3)从测量误差理论的角度来讲，用于交会定位的同名光线数量相对较少，从而难以获得较高的三维空间定位精度，尤其是高程精度。

随着影像匹配技术和相机技术的发展，近年来倾斜摄影测量通过多镜头、多视角摄影模式克服了垂直摄影测量的上述3个主要缺陷。使常规的基于数字摄影测量生产的数字产品(如数字正射影像图(Digital Ortho Map，DOM)、数字线划图(Digital Linear Graph，DLG)及数字表面模型(Digital Surface Model，DSM)的可靠性和精度得到了较好的保障。如，基于倾斜摄影测量可以更好地构建真正射影像(True DOM，TDOM)，可以获得纹理细节更为丰富的高精度DSM(实景三维模型)，此外，倾斜摄影测量的发展也使得DLG的采集从传统的立体测图模式转变为更符合人眼直观感受的基于实景三维模型裸眼测图模式。倾斜摄影测量已在国土空间规划、不动产测量、数字城市等领域得到了较为广泛的应用[1-3]。

目前对于倾斜摄影测量三维模型构建的研究较为丰富[4-10]，但对其精度的系统研究相对较少。文中结合实际数据，对比分析了常规竖直摄影测量相较于倾斜摄影测量的精度差异；分析了影像地面分辨率(Ground Sample Distance，GSD)对倾斜摄影测量精度的影响。为实际应用提供理论和实践参考。

1 无人机低空倾斜摄影测量精度分析

1.1 试验区域和数据获取概况

选择高山区(测区A)、山区(测区B)和平原区域(测区C和测区D)进行试验分析，相关数据描述如下：

(1)测区A：测区内高程变化范围为300～830 m，面积约为10 km2，测区大部分地面坡度在25°以上，属于高山地，外业航拍选择固定翼无人机搭载单镜头相机，相机标称焦距为35 mm，影像大小为7 360×4 912像素，像素大小4.88 μm。影像的航向和旁向重叠度均设置为80%，平均GSD约为7 cm，共联测了102个像控点。其中，选择在测区内均匀分布的32个点用于检查点。

(2)测区B：为某采石场，面积约3.9 km2。测区高程变化范围90～300 m，为山地地形。外业航拍采用电动固定翼无人机搭载五目倾斜相机，竖直镜头焦距24 mm，数量1个，倾斜镜头焦距35 mm，数量4个，像幅大小均为6 000×4 000像素，像素大小3.9 μm。航向和旁向重叠度均为80%，平均GSD约为5 cm，共施测了36个检查点。

(3)测区C：为某矿区工业广场，地形平坦，建筑物密集。面积约为0.3 km2，所用五目倾斜相机同测区B，航向和旁向重叠度均为80%，GSD约为3 cm，共联测了13个检查点。

(4)测区D：为平原地区某村庄，面积约0.06 km2，地势平坦，房屋密集。外业航拍采用四旋翼飞行器搭载五目倾斜相机，所用五目相机同测区B，航向和旁向重叠均为80%，检查点数量为9个。为满足后续的精度分析，分别采集了2.0 cm、1.5 cm、1.2 cm和1.0 cm 4个不同GSD(不同航高)的倾斜影像数据。

1.2 数据处理

对于测区A的单镜头竖直摄影测量数据，采用Inpho全数字摄影测量系统进行空三加密，基于空三加密结果，利用航天远景MapMatrix软件进行立体测图。为便于后续的精度对比分析，同时利用Context Capture(CC)进行空三及三维模型生成。

对于测区B～测区D的倾斜摄影测量数据，采用CC进行空三及三维模型构建。采用航天远景MapMatrix软件进行基于实景三维模型的裸眼测图。各测区构建的实景三维模型如图1所示。

1.3 精度统计

1.3.1 单目相机两种测图模式精度统计

表1 基于立体测图与实景三维模型的精度对比/cm

图1 实景三维模型

(1)

(2)

式中，n为检查点的个数；ΔXi、ΔYi和ΔZi为检查点的实测结果和摄影测量方法计算结果的偏差。

1.3.2 单目与五目实景三维模型精度统计

对于测区B和测区C的实验数据，分别采用单目正射镜头和五目倾斜镜头基于CC软件构建其实景三维模型，然后在MapMatrix裸眼立体测图系统中按1.3.1节的方法分别统计36个检查点的平面偏差和高程偏差。统计结果如图2和图3所示。基于图2和图3的统计结果，进一步按式(1)和式(2)分别统计测区B和测区C的平面和高程中误差及其相应的最大值。统计结果如表2所示。

图2 检查点基于两种测图模式的精度统计

图3 测区B单目和五目实景三维模型精度对比

图4 测区C单目和五目实景三维模型精度对比

1.3.3 GSD对倾斜摄影测量精度的影响分析

对测区D，基于不同GSD的实景三维模型按1.3.1节的方法分别统计9个检查点平面和高程中误差，为进一步验证其实际成图精度，又采用全站仪分别实测了不同GSD对应的实景三维模型的24个房角点(图5)，并统计其平面和高程中误差。

1.4 精度分析

表2 单目与五目实景三维模型的精度对比/cm

(1)摄影测量多光线前方交会的定位精度要显著高于基于立体像对的同名光线交会定位精度。如表1所示，基于多光线构建的实景三维模型，采用裸眼模式定位和分析检查点精度，同传统立体测图模式相比，其平面和高程精度均提高了约10倍。

(2)基于五目相机的多光线前方交会定位精度较基于单目相机多光线前方交会定位精度亦有较为显著的提高,如图3、图4和表2所示。如测区B，上述相应的平面和高程精度分别从±6.36 cm和±12.23 cm提高到了±4.73 cm和±4.60 cm。

(3)基于倾斜摄影测量的成图精度随着GSD的不同有显著变化。对于高精度的测量应用而言(如不动产测量)，应顾及这一变化的影响。如图6给出了不同GSD对应的精度影响规律。

图5 实测的房角检查点

图6 不同GSD对应的倾斜摄影测量精度统计

2 结 论

通过实际数据，定量对比分析了常规竖直摄影测量相较于倾斜摄影测量的精度差异，基于多旋翼低空倾斜摄影测量分析了不同影像地面分辨率对倾斜摄影测量精度的影响规律。研究结果可为实际应用提供理论和实践参考。