基于多视前方交会实景三维模型测图精度分析

张文安 ，苗小利

(1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199； 2.上海盛图遥感工程技术有限公司，上海 201803)

倾斜航空摄影测量技术是测绘技术进步的必然产物，也是国内近几年发展迅猛的一项新技术，它突破了传统摄影测量技术只能获取地表垂直角度影像的局限，可以获取垂直和倾斜多个不同的观测角度的影像，同时还能获得地物目标全方位的纹理信息。经过多视空中三角测量、多视前方交会、纹理映射、三维重建过程，生成实景三维模型，相比传统的虚拟立体模型，实景三维模型能够引领用户更接近真实、可测量的直观世界[1-6]。因此，基于其具有的独特优势，实景三维模型测图成为国内目前立体测图的有效方法之一，受到了测绘领域及相关领域的高度关注。

1 技术原理

实景三维模型生产的技术原理主要有三方面的关键技术：一是倾斜大重叠航空摄影；二是多视前方交会；三是纹理映射技术。

1.1 倾斜大重叠航空摄影

倾斜航空摄影是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，从垂直和倾斜多个不同的观测角度获取影像[7]，同时还能获得地物目标全方位的纹理信息，为实景三维模型生产提供了数据保障。

大重叠度航空摄影则是为了增加航空摄影测量的多余观测数，从平差理论而言,多余观测数越多,平差结果的精度和可靠性就越高[8]。所以要提高摄影测量的精度，就要采取大重叠度的航空摄影。张永军等在分析影像重叠度与交会精度的关系时，利用连续9张像片进行实验，影像最大为8度重叠，按深度方向由远到近选择了5个点。试验结果表明，随着影像重叠数目的增加，所有点在深度(高程)方向的交会精度均不断提高,其中,2度重叠到3度重叠和3度重叠到4度重叠时,交会精度迅速提高。从5度重叠开始精度提高变缓[9]。因此倾斜大重叠度航空影像，其航线方向重叠要求优于80%，而旁向重叠要求优于50%。

另外，影像重叠度越大，相邻影像间的同名点的差异就越小，自动匹配越容易，匹配点越多，为自动密集匹配提供了技术支持。

1.2 多视前方交会

前方交会的精度受影像间的重叠度和交会角的共同影响[10-11]。在传统的摄影测量中，空中三角测量时只能利用三度重叠点，立体测图时只能通过两度重叠点进行前方交会，因而交会角是由相邻影像的重叠度(或摄影基线的长度)确定的；而现代倾斜摄影测量技术，利用所有的大重叠度影像，实现了多视空中三角测量、多视立体测图。由过去的三度重叠点、二度重叠点前方交会测量，变成了五度重叠点以上的多视前方交会测量。而交会角则是由所有影像中间隔最大的两张影像所确定的，因此比传统的相邻两张影像所确定的交会角大，因而多视前方交会的精度也更高，从而为高精度测量提供了技术支持。

1.3 纹理映射技术

倾斜航空摄影可以同步获取建筑物的顶部纹理和侧面纹理信息，相较于传统的航空摄影，

大大提高纹理获取效率，通过纹理映射给三维网格模型赋予彩色的纹理，增强了三维模型的真实感、可辨识性[12-15]。因此，纹理影射技术是实景三维模型构建中的一项关键技术。

纹理映射技术是通过物方(三维格网模型)与像方(影像纹理)的几何投影关系，利用摄影测量的共线方程计算获得与地物表面对应的影像纹理信息，然后通过遮挡检测技术，剔除有遮挡现象的影像纹理信息，最后通过一定的最优算法选择出地物面的理想纹理，实现城市建筑物纹理的自动提取。

三维格网模型的纹理映射主要包括：一是将三维格网模型中的三角形与纹理的三角形进行一一对应；二是建立三维网格与影像纹理三角形的一对多的关系列表，即纹理数据集；三是从纹理备选影像集中选出最佳影像，构建纹理三角形与三维模型三角面之间的映射关系。四是对倾斜影像像素进行重采样，将像素重写在模型侧面和顶面，从而实现模型纹理的映射。

2 基于实景三维模型测绘地形图

实景三维模型正是基于上述的技术原理，通过利用倾斜、大重叠度的航空影像,采用自动匹配技术和摄影测量原理，对多度重叠点进行基于多条摄影光线的前方交会,生成密集点云构建格网模型，经过纹理映射、真正射影像纠正等过程进行自动化加工处理后实现的。所以，实景三维模型既满足了提高精度的两个条件：增加多余观测量和大交会角；又具有真实性和可辨识性，是进行立体测图的一种高效方法。

2.1 项目概况

2019年8～9月开展了基于实景三维模型地形图测图的生产实践，项目位于某市主城区，总面积约为4.5 km2，平均海拔高为450 m，以丘陵地貌为主。区内居民地密集，依地形阶梯式分布；交通发达，植被茂盛，江河纵横，区内分布了各类地形图要素。

本项目采用多旋翼无人机搭载双镜头相机完成倾斜航空摄影。相机平台为双鱼4.0，单镜头像素为4 000万(SONY RX1)，东西方向飞行，航向和旁向重叠度为70%，地面分辨率平均为0.03 m。采用GPS-RTK进行像控点测量，共测120个平高像控点。

2.2 实景三维模型生产

实景三维模型生产采用国内主流的倾斜摄影自动建模软件ContextCapture Center，它跨越了像片-现实之间的天桥，采用了尖端摄影测量、计算机视觉和计算的几何算法，可以从简单的像片,无需人工干预的情况下,生产出高分辨率的实景三维模型。整个过程包括：(1)导入影像数据、POS数据、像控点等定位数据，通过对POS数据解算，获取每张航片的初始外方位元素；(2)多视空中三角测量，获取每张航片的高精度外方位元素；(3)多视前方交会生成超高密集点云，构建Mesh模型；(4)自动无缝纹理映射生成实景三维模型。

经过以上处理生成了实景三维模型，如图1所示。

图 1 部分实景三维模型

2.3 实景三维模型精度分析

多视空中三角测量是实景三维模型生产的关键环节[8]，其精度直接关系到实景三维模型构建的质量和精度。因此有必要对空三精度进行分析和监控。

本项目根据航摄分区，参考惯导精度和外业像控布点情况，分为4个加密分区。其中区域网1，使用像控点8个；区域网2，使用像控点23个；区域网3，使用像控点24个；区域网4，使用像控点31个。4个区域网加密精度如表1所示。

(1)由表1可知，4个区域网的重投影中误差、射线距离中误差、3D误差、水平误差的全中误差和中位数，均与区域网的控制点数量有关，随着控制点数量的增加，各项精度随着提高，其中，全中误差和中位数的最大值均在区域网1中，再次证明空三各项精度与控制点数量紧密相关。

表1 空三加密精度

(2)垂直误差的全中误差的最大值也位于区域网1中，但4个区域网中的最大值0.027 1 m和最小值0.022 1 m相差不大，说明控制点数量(8、23、24、31)对垂直误差影响不大，特别是在20～30个之间时，影响几乎可以忽略。

(3)由表1统计可知，3D误差、水平误差、垂直误差的全中误差均在5 cm以内，优于1:500空三加密规范要求的基本定向点残差的精度指标(平面位置中误差0.13 m，高程中误差0.11 m)，满足1：500实景三维模型的生产要求。

2.4 基于实景三维模型测图

本项目采用EPS软件进行三维立体测图，完成了约4.5 km2的1：1 000地形图地物、地貌要素的采集，如图2所示。通过与传统的立体测图生产相比，它具有以下三方面的优势。

(1)对采集工序而言，实现了裸眼、多视立体测图，降低了技术难度，提高了测图精度。

(2)对编辑工序而言，采集地物要素的三维坐标信息的同时，可以赋予地物要素属性信息，实现了采编入库一体化，提高了数据生产的效率，降低了生产成本。

(3)对外业调绘和测量工序而言，大幅度减少了

图2 部分地形图

野外的工作量，降低了劳动强度。体现在：一是无需外业量注房檐；二是无需外业测量树林、竹林等植被高度；三是一定程度上减少了地理名称的调绘、植被地类界和性质注记调绘、房屋楼层和材料调绘、道路铺装材料调绘等；四是无须实测大比例尺地形图的高程点。

尽管如此，实景三维立体测图与传统立体测图一样，对于植被覆盖区、高层建筑物遮挡的阴影区域，仍然无法准确定位，需要外业调绘。而且有一定高度的点状地物建模效果较差，辨识度低，准确定位困难，如电力线和通信线的电杆采集，相对传统立体测图，此类要素的外业调绘工作量增大。

3 大比例尺地形图精度分析

为了对本次基于实景三维模型1：1 000地形图测绘的精度进行评价和分析，在测区内选择了一块相对平坦区域实测了100个平高点，并展绘在实景三维模型中，剔除了阴影下或疑似有高差(如墙上点)的检查点后，选择了23个位置明确的平面点，47个高程点，90条边长，进行数学精度检测。检测结果为：地形图平面中误差为0.201 m，高程中误差为0.095 m，地物点间距中误差为0.27 m，均优于国家规范要求的1：1 000地形图的平面位置中误差(0.5 m)、高程中误差(0.15 m)、间距中误差(0.4 m)的精度。具体误差分布情况如表2～表4所示。

表2 平面位置精度统计

其中，mxy=0.5 m

表3 高程精度统计

其中，mZ=0.15 m(平地)

表4 间距精度统计

其中，mS=0.4 m

由表2统计可知，基于实景三维模型测绘的地形图完全满足1：1 000平面精度，所有平面点位较差均在2倍中误差以内，较差小于三分之一中误差的占比达到了87%，较差小于一倍中误差的占比达到95.7%，说明平面位置精度优良。

由表3统计可知，基于实景三维模型测绘的地形图满足平坦地区的高程精度，所有高程较差均在2倍中误差以内，较差小于三分之一中误差的占比达到了48.9%，较差小于一倍中误差的占比达到91.5%，说明高程精度良好。

由表4统计可知，基于实景三维模型测绘的地形图满足1:1 000地物点间距精度，所有间距较差均在2倍中误差以内，较差小于二分之一中误差的占比达到了23.3%，较差小于一倍中误差的占比达到98.9%，说明间距精度良好。

4 结 论

通过大重叠的倾斜摄影、高精度的地面控制点，以及使用国际尖端的软件进行数据处理，可以生产出1:500高精度的实景三维模型，与传统摄影测量立体模型不同，实景三维模型则具有多视前方交会测量高精度特性，其平面和高程测量精度均优于传统立体模型，在此基础上测绘的大比例尺地形图的高程精度满足平坦地区高程点0.15 m的要求，无需野外实测高程点，从而突破了传统摄影测量不能满足大比例尺地形图平坦地区高程精度的现状，无疑对航测大比例地形图是一次跨越式的进步，极大地减少了外业测量的工作量，提高了大比例尺地形图生产效率。