机场倾斜摄影测量模型构建方法及精度分析_李尚楠.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）资助作者简介：李尚楠（），男，吉林扶余人，工程师，硕士，年毕业于吉林大学测绘工程专业，主要从事倾斜摄影测量方面的研究与应用工作。机场倾斜摄影测量模型构建方法及精度分析李尚楠，赵 瑞，赵天杰，娄 昊，孟文宾，李郭超（部队，陕西 西安；武警工程大学 信息工程学院，陕西 西安；中国科学院空天信息创新研究院 遥感科学国家重点实验室，北京）摘要：基于 软件对张家口机场影像数据开展三维实景模型的重建工作，经验证模型精度达到厘米级，符合构建智慧机场的精度预期。为探究飞行高度、航线的航向和旁向重叠率对模型精度的影响，利用控制变量法，在设定不同飞行高度、不同航向和旁向重叠率的条件下进行了 组试验，研究结果表明：模型精度与飞行高度成反比，飞行高度越低模型精度越高；航线的航向和旁向重叠率对模型精度的影响未呈现递变规律，实际作业中，应根据地物类型选择适宜的航向、旁向重叠率。关键词：机场；倾斜摄影测量；三维实景模型；空中三角测量；精度分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，；，：；引 言基于摄影测量技术开展三维模型构建具有建模精度高、模型效果好等优势，但由于以卫星和飞机为航拍平台的传感器在获取地表影像时，受天气、高度和空间摄影姿态等限制，仅能获取地物的位置及色彩信息，且作业成本较高，很难满足成果应用的需要。随着仪器与技术的发展，以卫星和飞机平台为主的数据获取方式逐渐被打破，利用无人机平台搭载多镜头进行倾斜摄影测量的技术应运而生。运用该技术构建的实景模型能够更全面、更直观、更逼真地反映地物场景，目前已被广泛地应用到诸多领域。如在地质调查方面，贾曙光等利用倾斜摄影测量技术提取地形数据，实现了高陡边坡的数字化岩体产状测量；在城市治安方面，褚杰等运用倾斜摄影测量技术建立机场、车站、客运站等城市重点地区的实景模型，为城市治安防范、应急处置等工作提供了有利支撑；在文物修复应用中，孙运豪等利用倾斜摄影测量技术构建文物实景 模 型，为 分 析、修 复 和 保 护 文 物 提 供 了 新 的方法。近年来，随着中国民航的快速崛起和发展，机场地面交通网络日益复杂，对其管理也越发困难，当交通量达到一定程度时，容易造成航班延误。无人机倾斜摄影测量技术的出现，为解决机场空间布局、空间结构与公共资源协同发展等问题提供了契机。基于此，本文以张家口机场为研究区，利用无人机航拍技术采集机场数据，基于倾斜摄影测量技术重建了机场三维实景模型。对机场实景模型进行精度分析，结果表明，基于无人机倾斜摄影测量技术获取的实景信息，能够满足机场可视化管控的精度需求，为机场资源的优化配置和高效利用提供了低成本的数据支持。机场无人机倾斜摄影测量 机场概况及航摄无人机选取张家口机场位于河北省张家口市东南城郊，机场跑道长 ，视野开阔，地势较为平坦，机场周围高大障碍物较少，除机场西北角毗邻较为密集的居民地外，其他位置居民地较为稀疏，综合考虑机场周围情况以及可能需要补拍的区域，选用垂直起降无人机获取影像数据。无人机倾斜摄影测量作业方案机场不同于其他地物类型，机场是空地交通网络的衔接点，除极端天气外，机场飞行任务密集。在保证不影响航班的情况，选取适宜的时间窗口，高效、高质量地获取机场地物影像，需要细致的方案，避免人为因素影响测量。经前期周密设计，机场无人机倾斜摄影测量作业流程如图 所示。图 倾斜摄影测量外业流程 资料搜集为保证机场信息采集和调绘的完整、准确和现势性，在开展航飞测量前，需搜集机场跑道、无线电导航设施、机场区域主要障碍物、飞行空域、控制点资料、平面图等资料，其中无线电导航设施、机场区域主要障碍物、平面图是用以确定航测范围和规划航测精度的主要依据。现场勘踏通过现场勘踏，了解机场测区内对无人机航飞有影响的高大建筑物、高压线、大功率无线发射装置，检查已有机场控制点的位置及保存情况。技术设计勘踏后编写航测技术设计书，执行任务规划，设计书主要包括航摄目的、任务、范围、航摄区概况、人员装备、作业组织、质量控制、成果上交等。空域申请无人机航摄飞行应当遵循中华人民共和国飞行基本规则。由于机场上空飞行活动频繁，为避免飞行冲突，须在航测任务开展前一周，向航测区的空域管理部门提报飞行计划。无人机航摄）航摄范围。航摄范围应包括飞机跑道、停机坪、塔台等其他零散的位置。为了确保所拍摄目标区域的完整性，航摄规划范围应外扩，外扩距离应与飞行高度相同。）相对行高。无人机的相对航高视影像分辨率而定，计算方法参照公式（）：（）式中，为相对航高，单位；为镜头焦距，单位；为像元大小，单位；为地面分辨率，单位。）航线规划。航线规划前填写航拍相机参数、航拍高度、覆盖率、飞行速度等信息；其中，航线航向、旁向重叠度均应大于；航线规划方向应与机场跑道方向平行，控制无人机转弯次数；相邻 个架次之间航线应保持平行，距离应小于航线间距；飞行高度应高于航摄区内最高障碍物一定高度。）航摄窗口。航摄时应选择最有利的气象条件，避免积雪、洪水、扬沙等覆盖物对建模的不利影响；航摄时，既要有充足的光照，又要避免阴影过大。航摄时间可参照工程摄影测量规范确定。）航摄准备。航摄前应制定飞行应急预案；起降场地选择在无高压线和高层建筑附近；检查无人机、地面站等软硬件状态，试飞检查无人机的磁力计值，符合起飞条件，方可实施作业。）航摄实施。航测过程中，无人机起飞越过测区内最高障碍物后，方可进入自动飞行；若空中突发意外情况，应沉着冷静处理，及时终止任务，切换为手动控制，最大限度地保障人员与设备安全。）质量控制。航摄完成后，通过目视观察，检查像片有无缺陷，航线转弯处有无明显模糊、重影和错误。航线像片中若有坏片、漏片，应在相同的气象条件下补射。另外，应检查 数据是否齐全正常，保证 点与像片一一对应。像片控制测量在布设像控点位时应保证像控点平均布设，相邻像控点间平均距离不大于 ；像控点应选在高程变化不明显、色差对比显著或者线状地物的交点附近；尽量不选第 期李尚楠等：机场倾斜摄影测量模型构建方法及精度分析择墙角作为刺点目标，以免内业不易判刺；像控点位应避开大功率电磁和大面积水域；点位尽量选择固定的、利于长期保存的目标。机场三维模型构建为使航摄数据能可视化反映相关地理要素在立体空间的位置、几何形态、表面纹理及属性等信息，研究中利用 软件对采集的数据进行全自动化建模，其自动化进程主要包括空中三角测量、构建不规则三角网、三维实景模型重建阶段。其软件构建模型的技术流程如图 所示。图 实景三维模型制作技术流程图 空中三角测量空中三角测量分为影像特征点的提取、同名特征点的配准以及影像外方位元素的反算等阶段。事实上是利用 系统的观测数据作为多视影像的初始方位元素，依据共线方程，求算每张像片的外方位元素，利用多基线多特征匹配技术建立影像之间的连接点，配合少量采集的地面控制点或区域平差实现空中三角测量。构建不规则三角网经空中三角测量优化后，软件依据空中三角测量的加密数据，运用多视影像密集匹配技术获得高密度数字点云数据。当密集点云数据巨大时，可根据计算机性能重新划分建模范围、模块大小与模块中心，按照设置的优先级对分割区块的密集点云构建不规则三角网（，简称）。生成三维模型由于所有影像均具有精确定位信息，建立 模型后，求算每个三角面的法线方向与影像之间的夹角，两者间角度越小，三角面与影像越匹配。匹配到影像后，计算三角面与纹理影像区域之间的关系，找到三角面对应的真实纹理，将配准的纹理投到 模型的三角面上，完成纹理影像的贴附。得到最终真实影像纹理的三维实景模型。机场三维模型精度和误差分析为了验证重建机场三维模型的点位和高程精度，从航摄区内随机实地测量了 个点的坐标，并在三维模型中对应地采集了 个点的模型坐标，计算差值、平面及高程中误差，据此来评价模型精度。其中，中误差计算公式如下：（）（）（）（）|（）式中，为中误差；、分别为检查点经度、纬度、高程、平面位置；为检查点实测值与量测值之差，为检查点个数。检测点精度见表。表 检查点精度计算统计表（单位：）（：）中误差 注：、分别表示检查点纬度、经度、高程、平面位置的实测值与量测值的差值；表示检查点序数。精度分析根据检查点的坐标，求得张家口机场 个控制点的 测绘与空间地理信息 年纬度中误差为 ，最大误差为 ，最小误差为；经度中误差为 ，最大误差为 ，最小误差为 ；高程中误差为 ，最大误差为，最小误差为；平面中误差为 ，最大误差为 ，最小误差为 。总体而言，个控制点的 个变量的中误差、最大误差和最小误差均在 范围内，符合三维地理信息模型生产规范中一级平面和高程精度标准。通常机场对模型的精度需求为亚米级，本次研究的精度达到厘米级，由此可见，基于无人机倾斜摄影测量重建的三维实景模型精度，能够满足机场对大比例尺影像数据的需求。为进一步探究影响坐标精度的因素，本文以 个控制点为例，在其他条件不发生变化的条件下，依次改变飞行相对高度、影像重叠率 个变量，分析它们对构建三维实景模型精度的影响。试验一分析了飞行高度对模型构建精度的影响，试验中设定飞行航线的航向和旁向重叠度均为，飞行高度依次为、，通过建模分析不同高度条件下，个控制点的纬度、经度、高程、平面位置和空间位置的中误差，见表。其中，空间中误差公式如式（）所示：（）（）式中，为检查点空间位置中误差；为检查点空间位置实测值与量测值之差；为检查点个数。表 不同飞行高度模型的中误差对比 高度 注：、分别表示检查点纬度、经度、高程、平面位置、空间位置的实测值与量测值的差值。对比发现：飞行高度在 时，模型平面中误差和空间中误差的值最小；随着飞行高度增加，模型平面中误差和空间中误差也随着变大，飞行高度为 时，模型平面中误差和空间中误差最大。由此说明，飞行高度越低，模型平面和空间中误差越小，模型构建的精度越高；飞行高度越高，模型构建精度越低，飞行高度与建模精度呈反比例关系。试验二分析了飞行航线的航向、旁向重叠率对模型构建精度的影响，试验中设定飞行高度为 ，航向、旁向重叠率分别为、和，三维建模分析不同航向、旁向重叠率条件下，个控制点的纬度、经度、高程、平面位置和空间位置的中误差，见表。比较发现：不同航线的航向、旁向重叠率对模型精度有影响，当航线的航向、旁向重叠率取值 时，模型中误差相对较大，当航线的航向、旁向重叠率取值 时，模型中误差也相对较大，当航线的航向、旁向重叠率为时，模型中误差相对最小，因此，对于航线的航向、旁向重叠率而言，并非越小或越大越好，而应根据地物类型，选择不同的航向、旁向重叠率。表 不同重叠率模型的中误差对比 重叠率 注：表中各变量与表 中各变量含义相一致。综上所述，通过倾斜摄影测量技术构建的张家口机场实景模型，精度上能够满足机场的需求。组试验论证了飞行高度、航线的航向和旁向重叠率对模型精度都有着不同程度影响。误差分析除了飞行参数对模型构建精度产生影响外，影像预处理、空中三角测量、模型重建等环节，都可能对构建的模型精度有一定程度影响，因此，除无法克服的客观因素，主观上应避免人为影响建模精度。如在整个无人机倾斜摄影测量和内业处理数据建模过程中，均由作业人员操作完成。作业人员的经验和熟练度，关系到采集成果和建模的精度，鉴于此，在选取作业员时，要选取业务熟练的作业人员或对作业人员进行岗前培训，熟悉作业流程，减少人为因素对建模精度造成的影响。结束语无人机倾斜摄影测量技术的快速发展，打破了传统影像获取的诸多局限，为人们获取高分辨率、逼真的地物影像提供了便利。本文利用无人机倾斜摄影测量技术重建了张家口机场的三维实景模型，通过求算模型坐标的中误差，得出建模的精度能够满足机场对模型的需求。研究中通过试验探究了飞行高度、航线的航向和旁向重叠率对模型精度的影响：模型精度与飞行高度成反比，飞行高度越低，模型精度越高，但无人机航高低于 时，存在较大安全隐患，且作业效率较低，因此，在实际工作中，建议选择适宜的高度作业；航线的航向和旁向重叠率对模型精度的影响未呈现递变规律，本文中航线的航向、旁向重叠率在 时，模型精度最高，但试验中重叠率间隔较大