基于Context Capture的无人机倾斜摄影三维建模及精度分析

文 / 蔡 亮 王蒙蒙

近年来，随着倾斜摄影技术和计算机处理技术的快速发展，倾斜摄影技术越来越多地应用于各个行业，逐步替代了传统三维建模，以无人机作为载体携带倾斜相机实现倾斜摄影已成为一种趋势，该技术通过拍摄的多角度影像和少量地面控制点便可利用倾斜摄影软件自动三维建模，很好地解决了传统摄影测量技术只能获取垂直影像，需要大量人工参与、速度慢、不利于大面积建模的弊端，使得三维建模工作变得更加高效、便捷。目前，无人机倾斜摄影测量成为获取地表三维模型的重要途径，并且已经在水利测绘、土方工程等许多方面得到了较好的应用。国内相关技术人员有的结合水利项目分析了倾斜摄影测量技术生成实景三维模型的过程，阐明了倾斜摄影测量技术在实际工程中的应用优势；有的通过无人机倾斜摄影实景三维建模为水利工程投资分析、工程设计等提供技术支持；有的将无人机倾斜摄影测量技术运用到土方工程中，为工程提供可视化效果。

本文利用Context Capture软件作为建模工具，详细阐述了快速三维建模的技术路线和实施方案，通过工程项目实例进行三维建模，并对模型的精度进行分析，为三维测绘成果的规模化生产提供参考借鉴。

1 倾斜摄影测量技术的建模方法

1.1 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量技术是将传统航空摄影技术与数字地面采集技术结合起来的一种新兴技术手段，其主要工作原理是将多台传感器同时搭载在同一飞行平台上，分别从垂直、前方、后方、左侧、右侧五个不同的方向和角度采集影像数据，以获取全方位的地物纹理信息。该技术可以展示出较高的真实性效果，通过数据预处理、空三测量、影像匹配等自动化过程生成三维模型，可以赋予模型更多的地理信息，真实地表达地表物体的具体坐标、尺寸及外观等属性。而且倾斜摄影测量技术具有影像数据获取速度快、周期短、测量范围广、精度高等特点，后处理过程自动化程度高，这样就有利于数据及时更新，即使在复杂的环境下也可以实现高性能的数据测绘处理，使得操作人员在安全区域就可以获得地形数据，降低了外业的作业风险，提高了工作效率。

1.2 无人机倾斜摄影测量技术应用流程

1.2.1 数据获取

数据的获取是前期工作的关键环节，而获取的影像质量也会直接影响三维模型的效果；经分析影响无人机航飞效果的主要因素有航线、相对航高、重叠度等，实施航空摄影前需充分考虑这些因素，设置合理的参数保证影像质量。

（1）设置航高

式中：H为相对航高；f为相机焦距；GSD为地面分辨率；α为像元大小。

（2）设置重叠度

查询经验数据资料得出，航向重叠度不得小于53%，常用的设置范围在60%～80%之间，旁向重叠度不得小于8%，常用的设置范围在15%～60%之间。但由于倾斜摄影技术需要考虑地物遮挡和变形关系，因此航向和旁向重叠度需要适当设置高一些，将两者均设置为80%以上。

（3）设置航线参数

根据测区范围，设定航线起终点、航线长度、航线间距、航线方向参数，通常规划为矩形航线，设置的航线要尽可能少，避免浪费。

（4）作业飞行

检查设备及电量情况，选择无风晴朗天气，尽量远离电线和建筑物，确保无人机飞行范围内GPS信号良好。按上述的要求完成航线设计后，实施航飞测量计划，从五个角度全方位地获取地表物体高分辨率影像数据，并对这些影像的质量进行检查。

1.2.2 数据预处理

导出5组镜头分别对应5组影像和pos数据，对影像名称和该影像所对应的pos数据按照规定的格式进行预处理，保证数据格式的正确性以及资料的完整性。之后连同相机参数等数据一并导入到建模软件中。

1.2.3 构建三维模型

选择Context Capture软件作为数据处理软件。该软件是目前处理倾斜摄影测量数据标准的软件系统之一，一般包括主控制台（Master）、任务启动引擎（Engine）、三维模型展示（Viewer）等模块。利用此软件对数据处理，并进行空三计算，通过点云加密算法将稀疏点云生成密集点云，然后将密集点云进行网格化和纹理映射，利用导入的控制点数据，生成对应坐标系统下的具有真实坐标的三维模型。倾斜摄影三维建模技术流程见图l。

图1 倾斜摄影三维建模流程

2 工程应用及精度分析

2.1 工程应用

本文选取马山大河正平桥丰石宽段为例，该段属于绍兴市马山闸强排及配套河道工程（越城片），工程具有施工面域广、线路长、场地狭窄等特点，传统的测量方法需要大量的人力和物力支撑，且耗时长、效率低。采用无人机倾斜摄影技术进行测量很好地解决了上述问题，规划的航测区域如下（图2）所示。

图2 航测区域图

2.1.1 数据获取

在规划的航测区域布设11个具有代表性的像控点，并使用GPS-RTK技术进行量测。利用大疆（DJI M600PRO）工业级多旋翼无人机搭载拼斜五拼相机（TC-DC-5）作为数据采集平台获取原始数据，本次生产任务共布设23条航线，飞行3个架次，完成区段约0.135km2的三维实景生成。航拍的航线范围超出测区边界线100m以上。航飞前要进行模块自检，指南针校准等操作，然后进行参数设置，如将航高设为80m，将航向重叠度和旁向重叠度分别设置为90%和80%，参数单位设置为m/s，低电量提醒设置为30%等。

2.1.2 影像处理

在进行空中三角测量步骤前，要对影像进行检查，将试拍的照片去除，核对照片质量和数量，并与pos数据相对应，将照片和与之对应的pos数据分别导入Context Capture软件，输入光学参数，选择对应的坐标系，提交空三运行，之后导入RTX外业测量的像控点坐标，并在相应的影像上刺点，进而通过影像密集匹配，密集点云构建TIN模型，纹理切片自动映射等过程，最终得到对应坐标系统下的倾斜摄影三维模型（图3），此模型能真实地反映出原始地貌。

图3 实景三维模型成果图

2.2 精度分析

为了分析三维模型的精度，在航测区域中间提前均匀布设了10个特征地物点作为检查点，并使用GPSRTK技术测量这些检查点的坐标，将此方式测量的坐标记为真实值，同时在三维模型上提取同名检查点的坐标，作为计算值，并与外业量测的坐标进行对比分析，统计得出两者之间的平面及高程误差。此外还引入了中误差，中误差是用来衡量观测精度的一种常用指标，可以很好地反映误差精度，在测绘领域应用广泛。公式如下：

经统计得出如下结果（表1），观察可以看出，本项目工程三维模型的平面最大误差为0.086m，中误差为0.060m，高程方向最大误差为0.348m、中误差为0.116m。参照《三维地理信息模型数据产品规范》，当平面中误差不大于0.5m，高程中误差不大于0.37m，满足整体模型精度达到1∶500比例尺测图的精度要求。

表1 三维模型精度统计表

3 结语

本文以绍兴马山闸强排及配套河道工程某区域为研究范围，通过无人机作为飞行平台搭载相机，采用倾斜摄影技术获取影像数据，基于Context Capture软件建立了实景三维模型，提出了一套基于倾斜摄影测量技术的从影像获取、数据处理到三维建模的技术方法与流程。为了验证该方法的合理性，将实地测量检查点坐标数据与模型实际量测值对比，进行精度分析，结果表明：本项目工程三维模型的平面最大误差为0.086m，中误差为0.060m，高程方向最大误差为0.348m、中误差为0.116m，参照《三维地理信息模型数据产品规范》，平面中误差不大于0.5m，高程中误差不大于0.37m，达到该规范的Ⅰ级标准，可以应用到实际生产中，为工程建设中三维绘制的规模化生产提供一定的方法参考。