倾斜摄影测量像控点密度对三维模型精度影响的测试与研究

王刚都，严亚敏

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710002）

0 引言

近几年无人机低空倾斜摄影技术颠覆了传统航空摄影只从正摄角度采集影像的的作业方式，该技术是运用无人机低空多位镜头摄影同步获取高清晰立体影像数据与GPS 辅助空中三角测量及计算机视角匹配技术，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取，实现全自动化三维建模;倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，能同时输出DSM、DOM、TDOM、DLG 等多种成果。

在植被稀少或裸露地区，采用倾斜摄影测量建立三维实景模型测绘大比例尺地形图技术已在许多测绘单位广泛应用；为了获取工程坐标系下高精度的三维实景模型，倾斜摄影测量外业需要布设一定密度的像控地标点，像控点布设密度直接影响三维模型的精度，而目前还没有国家技术标准明确针对倾斜摄影测量的像控点密度的具体要求，行业内一般认为遵循传统航摄的相关技术规范，这就使得无人机倾斜摄影技术的前景可能会受到一定的局限。而优化像控点布设的密度也关系到外业生产工作效率和劳动强度。

本文根据CW-10C 无人机进行低空倾斜摄影测量的工程实例，探讨布设不同密度的像控点对三维建模的精度进行测试分析和探讨。

1 纵横CW-10C 型无人机搭载五拼倾斜相机主要参数

纵横CW-10C 型无人机系统由CW-10C 飞行平台、飞控航电系统、地面站系统、任务设备（五品相机）、差分系统、后期软件及附属件等组成。CW-10C 最大起飞重量12 kg，任务荷载1 kg，最佳飞行空速20 m/s，最大飞行空速30 m/s，垂直起降、平飞动力均为电动，最大续航时间90 min，翼展2.6 m，机身长度1.6 m，实用升限4000 m，抗风能力5 级，搭载五组Sony ILCE-5100 镜头拼装相机进行倾斜摄影测量，其微单传感器尺寸23.5 mm×15.6 mm，正射镜头焦距20.0 mm，像元大小3.90 μm，侧向四镜头焦距35.0 mm，像元大小3.90 μm，图像最高辨率6000×4000，单相片分辨率2430 万像素，总像素1.2 亿。

2 工程案例的应用测试

2.1 案例一 榆林东线引黄工程神木供水支线

2.1.1 摄区概述

测区属于黄土高塬沟壑地貌，摄区长约5.6 km，宽约1.2 km，最低点海拔980 m，最高点海拔1250 m，测区地形起伏大，最大高差270 m。起飞点海拔为1100 m，飞行相对航高300 m，规划航线10 条、航线间距140 m，基线长度50 m，总长度66 km，航向重叠率75%，旁向重叠率65%，最低点分辨率为0.08 m，飞行面积为6.72 km2。

2.1.2 像控布设

摄区像控密度在航向、旁向均按400 m 间距布设，地面像控点做“十”形状地标，其航迹及像控点布设见图1。布设像控地标点40 个，像控地标检查点11 个，采集地形高程点29 个。

图1 航迹、像控点示意图

2.1.3 测试方案

室内采用Context Capture（Smart 3D）软件进行空三及建模时，像控密度选取为：

a）按航向、旁向400 m 的间距选取像控点数量为53 个，编号为 PG12、PG13、…、PG63、PG64；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的间距选取像控点数量为20 个，编号为 PG12、PG14、PG19、PG20、PG23、PG24、PG26、PG31、PG33、PG34、PG39、PG40、PG43、PG46、PG52、PG53、PG56、PG58、PG61、PG64 等 20 个；

c）按航向1200 m 间距、旁向800 m 间距选取像控点数量，编号为 PG12、PG15、PG19、PG22、PG29、PG32、PG34、PG40、PG45、PG50、PG55、PG61、PG64 等 13 个；

d）按航向、旁向1200 m 间距选取像控点数量，编号为PG12、PG15、PG19、PG29、PG34、PG40、PG47、PG50、PG61、PG64 等 10个；

分别采用按上述四种像控选取密度方案的像控点数据、5方向的影像数据，进行空三加密及三维建模，获取4 种三维实景模型。

2.1.4 测试精度评定

采用对比分析法计算统计不同像控点数量对三维模型精度的影响。分别在四种像控点对应建立的三维模型上量测了像控检查地标点的平面坐标和高程，与实测值比较计算得坐标和高程较差，计算地标点的平面位置和高程中误差，测试结果统计见表1。

同时根据采集29 个地形点在三维模型上的位置量测了地形点的高程，与实测值比较计算得高程较差，并计算地形点的高程中误差，测试结果统计见表1。

表1 神木支线项目像控检查点精度测试的统计表

从表1 统计表中看出:

a）航向、旁向像控间距为400 m 的三维模型测试精度最优，其它次之；

b）航向、旁向像控间距为800 m～1000 m 三维模型地标检查点高程、以及高程注记点的测试精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求；

c）航向1200 m、旁向像控间距为800 m 的三维模型地标检查点高程、以及高程注记点的测试精度≤1/3 h（h 取1.0 m）精度要求，但有1 个像控检查点高程较差＞0.5 m；

d）航向、旁向像控间距为1200 m 的三维模型地标检查点高程、以及高程注记点的测试精度超过规范规定的高程注记点≤1/3 h（h 取 1.0 m）精度要求。

e）说明在本地形起伏大测试摄区，4 种像控点密度下倾斜摄影测量建立的三维实景模型采集的高程精度有较大差异。

2.2 案例二 麟游天堂工业园区供水项目

（1）摄区概述

测区长约2.4 km，宽约1.6 km，地形为北高南低坡地，最低点海拔900 m，最高点海拔1100 m，测区高差200 m，起飞点海拔为840 m，飞行相对航高300 m，飞行面积为3.8 km2，规划航线总长度为68 km，16 条航线，航线间距120 m，基线长度60 m，航向重叠率75%，旁向重叠率65%，最低点分辨率为0.07 m。

（2）像控布设

测区像控布设密度航向、旁向均按照400m 间距布设，共布设像控地标点35 个，航迹与像控地标点见图2。

图2 航迹、像控地标点图

（3）测试方案

室内采用Context Capture（Smart 3D）软件进行空三及建模时，像控密度选取为：

a）按航向、旁向400 m 的间距选取像控点数量，编号为SPG01、SPG02、…、SPG34、SPG35 等 35 个；

b）按航向、旁向800 m～1000 m 的间距选取像控点数量，编 号 为 SPG02、SPG04、SPG10、SPG12、SPG18、SPG20、SPG24、SPG25、SPG28、SPG29、SPG31、SPG33、SPG34 等 13 个；其余 22个作为检查点；

c）按航向1200 m 间距、旁向800 m 间距选取像控点数量，编 号 为 SPG02、SPG04、SPG14、SPG16、SPG26、SPG28、SPG29、SPG32、SPG34 等 9 个；其余 26 个作为检查点；

d）按航向、旁向1200 m 间距选取像控点数量，编号为SPG01、SPG04、SPG13、SPG16、SPG25、SPG28 等 6 个；其余 29个作为检查点。

分别采用按上述四种像控选取密度方案的像控点数据，在Context Capture（Smart 3D）软件下进行空三加密及三维建模，获取三维实景模型。

（4）测试精度评定

采用对比分析法计算统计不同像控点数量对三维模型精度的影响。分别在四种像控点对应建立的三维模型上量测了像控检查点地标的平面坐标和高程，与实测值比较计算得坐标和高程较差，并计算地标点的平面位置和高程中误差，测试结果统计见表2。

表2 麟游供水项目像控检查点精度测试的统计表 单位：m

从表2 中看出，该摄区为地形起伏小的坡地，4 种像控密度下倾斜摄影测量建立的三维实景模型采集的高程精度也有较大差异，即：

a）当航向、旁向像控间距为400 m 的三维模型测试精度最优，航向、旁向像控间距为800 m～1000 m 以及航向1200 m、旁向像控间距为800 m 的2 种三维模型测试精度也满足高程注记点精度≤1/4 h（h 取1.0 m）要求；

b）当航向、旁向像控间距为1200 m 的三维模型测试精度的三维模型测试精度达到高程注记点精度为1/4 h（h 取1.0 m）的限差值；

c）航向、旁向1200 m 间距选取像控点获取三维实景模型上，SPG29、SPG30、SPG31、SPG32、SPG33、SPG34、SPG35 等 7 像控地标检查点超出参与空三加密的像控地标点范围之外，其在三维模型上采集的坐标和高程与GPS-RTK 实测值的较差统计见表3。

表3 三维模型采集与实测值的较差统计表

3 结论

通过2 个不同工程摄区案例布设不同密度像控点对三维模型精度测试与精度检测、分析研究认为：

1）像控点的布设密度直接影响三维模型的精度，特别是对三维实景模型高程精度的影响，像控密度越大，模型精度高，像控密度越小，模型精度低，因此，合理的密度视保证模型精度的基础条件之一。

2）针对CW-10 无人机搭载五个Sony ILCE-5100 镜头拼装相机进行倾斜摄影测量时，建议像控布设密度按航向、旁向在800 m～1000 m 布设，可以满足1∶1000 地形图高程等高距为h=1.0 m 的高程精度要求。

3）航摄前地面做像控点“十”或“L”形状地标，精度较好。

4）摄区布设的外围（四周）像控地标点连线之外的三维模型平面和高程的精度难于保证，像控地标点的连线应大于测图范围。