抽水蓄能电站无人机实景三维建模方案精度对比分析

王 明，吕仲良，赵延岭，李祖锋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

由于近年来低空无人机航空摄影技术的飞速发展，基于无人机平台搭载的传感器也越来越丰富，能根据日常项目的需求提供不同类型的产品。倾斜摄影技术作为低空无人机技术的一个分支，以其全方位、多角度、高精度等方面的优势，逐渐成为测绘领域获取空间数据的重要技术手段之一[1]。

倾斜摄影技术是通过1～5个不同角度的镜头同时摄取地面影像[2]，以获得地面构筑物的多视角高分辨率纹理信息，在无人机平台安装了PPK或RTK模块的情况下，它能够获取带有精确位置信息的影像数据，多种技术手段结合后能有效提高产品的精度。三维实景模型作为倾斜摄影主要的3D产品之一，能直观地浏览所摄区域的地表纹理，查询目标区域的三维坐标，或以此为基础进行BIM设计、地形图制作等，因此它的清晰度与精度会对后续的工作产生直接的影响，能为后续的进一步处理提供数据支撑[3-6]。不同精度的三维实景模型，对影像数据有不同的要求，数据采集的方式及处理效率也有很大的差异。本文对由单、多镜头影像生产的三维实景模型进行分析研究，比较两者的优缺点，为该在抽水蓄能电站项目中应用技术的经济性和适用性提供参考。

1 基于单、多镜头影像的三维实景模型制作

单镜头和多镜头在数据获取及模型制作流程方面，基本是一致的，而在作业效率、数据精度等方面，却有诸多的不同(如表1所示)；相对于单镜头影像，多镜头影像在模型清晰度及精度方面具有诸多优点，但影像数据量会成倍增加，且在飞行效率及后期数据处理方面，需要更多的软硬件支持，耗费大量时间；而单镜头影像无论是在数据获取还是建模效率方面，则有较大优势[7]。因此，在实际工作中，可选择不同的镜头模式，来满足具体建模的需求，如地形起伏较大、对地表纹理清晰度、模型数学精度要求较高，模型数据还需进一步加工的区域，可选择多镜头平台，在地形平坦、对模型纹理要求不高的区域，可选用单镜头平台。

表1 单、多镜头的区别

2 工程实例

2.1 工程概况

以国内某抽水蓄能电站为实验区域，要求提供该区域工程布置范围内的三维实景模型，且平面及高程精度达到1∶500地形图的规范要求。该区域形状比较规则，东西长约3.8 km，南北长约3.3 km，面积约12 km2，以山地为主，地形起伏较大，最大落差约585 m，最低海拔1 159.00 m，最高海拔1 744.00 m，地面植被较少，无人机平台采用纵横-CW15垂直起降固定翼无人机，搭载的传感器为CA503全画幅五镜头倾斜摄影相机。整个区域分2个航高共完成5个架次的飞行，航向重叠率85%，旁向重叠率75%，平均地面分辨率4.5 cm，相对航高347 m，单个镜头获取影像4 409张，五镜头共获取影像 22 045张。影像POS数据经PPK后处理差分系统解算后得到精确的影像位置信息，供后期空三加密使用。实验范围内共布设48个地面像控点，并采用GNSS-RTK实测62个均匀分布的检查点(点位分布如图1所示)[8]。

2.2 实验方案

在保持像控点不变的情况下，将5个架次的五镜头影像数据、各架次下视镜头影像数据分别进行处理，进行空三加密，并生产三维实景模型，用实测的RTK检查点检查2种模型的平面及高程精度。

图1 像控点及检查点位分布

2.3 精度评价

2种模型的最终精度对比结果如表2所示：

表2 模型精度对比结果

从表2可知，五镜头方式建模的平面和高程精度均优于单镜头数据模型。图2、3为2种模型中62个检查点平面中及高程中误差分布图：从图3、4中可以看出单镜头数据模型的平面及高程误差较大，且误差分布不均匀，而五镜头数据模型的各点位误差较单镜头模型更加稳定，模型精度更高。

图2 模型各点位平面中误差分布

图3 模型各点位高程中误差分布

图4 模型纹理对比

图4为2种模型的纹理清晰度对比情况，从图片中可看出五镜头数据模型的纹理清晰度明显优于单镜头模型，尤其在侧面纹理区域，五镜头数据模型更具优势。

2.4 结果分析

(1) 在模型精度方面，无论是平面还是高程，五镜头数据的模型精度更优，且整体的误差更加均匀，单镜头数据的模型精度略差，但在像控点同条件约束的情况下，基于2种模型生产的地形图精度能够满足国家测绘地理信息局行业标准CH/T9008.1-2010《基础地理信息数字成果1∶500 ,1∶1000 ,1∶2000数字线划图》中地物点平面位置中误差不超过0.4m，高程注记点中误差不超过0.5m的要求[10]。

(2) 在模型纹理清晰度方面，五镜头数据模型由于包含了更多的侧面纹理信息，因此具有更高的清晰度，在后期数据处理及模型精修方面具有更多优势。

(3) 在生产效率方面，与单镜头相比，五镜头相机获取影像数量大，航测内业三维建模的数字空三和模型生产工序对算力要求高，综合生产效率较低。但对模型纹理清晰度要求低的地形测绘时，单镜头数据模型可高效完成地形建模类任务。

3 结 语

本文通过对单镜头、五镜头两类影像三维实景模型的分析研究，综合比较了2种镜头数据模型数学精度及纹理清晰度，分析了它们的优缺点，对三维实景模型仅用于DLG产品的生产，但在模型清晰度要求不高的情况下，可采用单镜头的生产模式降低成本，提高生产效率。在对三维实景模型既要有满足规范的平面及高程精度，又要有较高的清晰度时，如后期的模型单体化、模型精细化编辑，可采用五镜头的生产模式。因此在实际生产过程中，可根据不同的目标需求选择合适的生产模式，可为今后类似项目实施提供参考依据。