金新平 戴竞辉 黄 瑶 张高鹏

（华东勘测设计院（福建）有限公司，福建 福州 350000）

0.引言

随着现代化测绘技术的迅速发展，无人机在各个领域的应用愈加广泛。由于无人机体积较小，空中姿态变换较为灵活，同时受空域管制影响相对较小，获取测区影像数据较快，所以，采用无人机获取测区范围内的航空影像数据[1]，进而进行基础测绘工作，尤其是地形条件相对复杂的区域，采用无人机低空摄影测量技术，能够实现区域快速成图、基础测绘数据快速获取工作。基于无人机摄影测量技术的测速快、实景表现性强等特点，其在城市规划、数字城市建设、新农村测绘等方面具有较为重要的应用研究价值[2]。

采用无人机进行低空摄影测量时，无人机上所搭载的相机普遍为非量测相机，所以要建立相机所摄像片与目标物之间的数学关系，从而进行空三解算，而地面像控点的布设方案则直接影响目标物三维坐标的解算精度[3]。地面像控点的布设数量和位置，在一定程度上会影响实景三维模型的精度，同时像控点布设的合理与否，直接决定了外业测绘工作量的大小及建模成本[4]。在测区范围内，如何合理布设像控点，以最少地面像控点获取最高精度的测区实景三维模型，是一个重要的研究课题。

本文设计周边布设、中心布设、均匀布设以及加密布设四种像控点布设方案，分别构建研究区域实景三维模型，对四种模型进行精度分析对比，进而研究地面像控点的不同布设方式对实景三维模型建模精度的影响。

1.像控点布设原则

采用无人机低空摄影测量技术获取基础测绘信息时，选择科学合理的像控点布设方式，能够大大提升后续测量成果的精度，降低工作量，提高工作效率。在进行地面像控点布设时，需遵循一定的原则[5]，同时结合测区实际地形地貌，根据实际需求选取最优的布设方式。地面像控点的一般布设原则有：

（1）测区范围内地面像控点应均匀、立体布设；

（2）同一位置的地面像控点应联测成平高点；

（3）地面像控点实际布设位置的连线应尽量避免为近似直线；

（4）在实际布设地面像控点过程中，应在点位处布设地面标志，或选择较为醒目的目标点处布设像控点，从而提高刺点精度，在一定程度上增强像控点的可靠性；

（5）地面像控点布设完成后应对点位进行拍照，从而获取像控点位置信息，便于在后续工作中提高刺点效率。

以上述地面像控点的布设原则为基础，兼顾测区范围内的实际地形地貌，本文以某城市范围内的不规则小面积区域为研究对象，设计不同的像控点布设方案，研究像控点布设方式对不规则区域内构建实景三维模型精度的影响。

2.实例探究

2.1 像控点布设方案设计

本文研究区域为某山地丘陵地区某一不规则区域，区域面积为0.35km2。该研究区域特征较为明显，整体形态为非规则多边形，综合考虑测区范围内像控点布设方式与内业空三加密解算精度之间的关系，研究不同的像控点布设形式对不规则区域实景三维模型精度的影响。在设计测区像控点布设方案时，以像控点布设原则为基础，充分考虑测区范围、地形及建筑物密集程度等因素，根据研究区域实际形态特征拟定了四种像控点布设方案，所有点位均为平高控制点。

方案一：周边布设，根据测区范围的实际形态，在测区边缘布设像控点，像控点依次连线构成的面尽量包含整个测区，本次布设15个像控点（如图1所示），研究边角布控对三维实景模型的精度影响。

图1 测区周边布设

方案二：中心布设，仅在测区中部布设像控点，本次布设5个像控点（如图2所示），研究中心布控对三维实景模型精度的影响。

图2 测区中心布设

方案三：均匀布设，在满足边缘布设的情况下，测区中部增设少量像控点，本次共布设10个像控点（如图3所示），研究全面布控对三维实景模型精度的影响。

图3 测区均匀布设

方案四：加密布设，在方案三的基础上，对测区像控点的数量进行加密，由于测区为非规则山地丘陵地区，加密布设像控点可更充分反映测区的地形地貌及形状特征，本次共布设15个像控点（如图4所示），研究加密布控对三维实景模型精度的影响。

图4 测区加密布设

依据外业控制点的布设规范，像控点布设在空旷、地表起伏较小的区域[6]，另在测区内布设10个检核点，使用高精度RTK进行检核点坐标的测量工作，以检核点三维坐标为真值，进行实景三维模型精度检查。

2.2 像控点精度验证

在进行实景三维模型精度评定之前，需检核地面像控点的精度，当某像控点出现较大粗差或被破坏时，需采用一定方法对其进行补偿或舍弃，从而避免像控点自身误差过大对模型精度的影响[7]。本文共设计了四种像控点布设方案，共计15个不同位置的像控点，结合影像POS数据进行空中三角测量。像控点空三解算质量报告（如表1所示），由空三解算结果可知，重投影中误差均在1个像素点以内，准确度相对较高；像控点水平中误差为0.0059m，垂直中误差为0.0028m，表明所布设的像控点精度相对较高，可用于该地区实景三维模型的构建。

表1 像控点精度评定

3.模型精度分析

3.1 平面及高程精度分析

本文采用低空无人机倾斜摄影测量技术，使用Smart3D构建出测区内的实景三维模型（如图5所示），其中A为厂房模型；B为平房模型；C为村落一角展示；D为楼房模型。

图5 实景三维模型

在完成测区实景三维模型的构建工作后，对四种像控点布设方案所得到的四种实景模型的绝对精度进行分析评定，以测区内采用高精度RTK测量得到的检核点坐标值为真值，以实景模型上与检核点所对应的点位为测量值，分别计算各点位平面中误差和高程中误差，对模型精度进行构建得到的模型做点位精度分析。中误差计算公式如式（1）所示：

式（1）中，m为各方向中误差；△为各方向真误差；n为检核点数量。

平面中误差可根据X、Y方向的中误差进行求解，其公式如式（2）所示：

在测区范围内共布设10 个模型精度检核点（J01～J10），分别计算四种像控点布设结果建立的四种测区实景三维模型的平面中误差和高程中误差，结果（如表2所示）：

通过对表2和图6、图7分析可知，四种像控点布设方案所构建的研究区实景三维模型精度，平面中误差最大为0.1404m，高程中误差最大为0.2118m，我国测绘行业标准《三维地理信息模型数据产品规范》中对于Ⅰ级产品具有明确的精度要求[8]，其中1∶500成图比例模型的平面精度要求为0.3m，高程精度要求为0.5m，所以本次研究过程中所采用的四种像控点布设方案均满足规范要求；但相对而言，高程精度要低于平面精度，这是由于测区为山地丘陵地区，地表起伏较大，而像控点的布设条件相对有限，无法完全反映测区的地形地貌。

四种像控点布设方式所得到的是实景三维模型的精度具有较为明显的差异，其中像控点在测区中心布设所构建的实景模型精度最低，平面中误差为0.1404m，高程中误差为0.2118m，其主要原因是像控点布设位置连线未能覆盖整个研究区域，但由于测区面积相对较小，所以所构建模型精度能够满足规范要求；采用测区周边布设方案所构建的模型精度高于中心布设，平面中误差为0.0561m，高程中误差为0.1065m，主要是由于研究区域为非规则区域，在测区周边非规则特征处布设像控点，能够反映出测区形态特征，所以模型精度较高；方案三采用测区范围内均匀布设像控点方案，既满足测区周边非规则形态要求，又在测区中心区域均匀布设，能够反映出测区整体地形地势特征，所构建模型精度相对方案一和方案二较高，所构建的实景三维模型平面中误差为0.0278m，高程中误差为0.0590m；方案四在方案三的基础上，对像控点布设数量进行加密，能够对测区的地形地势及形状特征进行充分表现，以该像控点布设形式构建的实景模型，在本文的四种像控点布设方案中精度最高，所构建的实景三维模型平面中误差为0.0271m，高程中误差为0.0475m，但相对方案三而言，精度提升相对较少。因此，在实际布设像控点时，需根据测区形态特征、地形地势等实际情况，按需布设，优化像控点布设方案，既保证实景模型精度，又能降低成本，减少工作量，提高工作效率。

表2 实景三维模型精度评定

图6 检核点平面中误差

图7 检核点高程中误差

3.2 几何精度分析

由于研究区域内有较多建筑及道路等几何结构物存在，而点位精度评定无法表现出此类建筑物的几何精度情况。本文在点位精度检核的基础上，引入模型几何精度分析，在研究区域内选择特征较为明显的几何建筑物，构建多方向特征建筑连线，以线段为单位对不同像控点布设方案构建的测区实景三维模型的几何精度进行评定，进而研究不同像控点布设形式对实景三维模型几何精度的影响。

本文共构建了8段测区范围内不同方向的特征建筑连线（L1～L8），其中L1～L4为测区范围内长线段，L5～L8为短线段，以测区内的实际测量结果为真值，同时在实景三维模型上选取对应的线段，量测模型上的长度值，作为测量值，对实景三维模型的几何精度进行综合评判。其结果（如表3所示）：

表3 模型几何精度评定

通过对表3分析可知，四种像控点布设方案的几何精度均达到99.5%以上，四种像控点布设方案所构建的实景三维模型的几何精度均满足规范要求，但短基线的几何精度明显要优于长基线的几何精度；四种像控点布设方案所构建的实景模型的几何精度由高到低排序为加密布设＞均匀布设＞周边布设＞中心布设，由此可见，在测区范围内布设像控点时，在满足测区边缘形态的要求下，在中心区域加密布设像控点，能够在一定程度上提高测区实景三维模型的几何精度，尤其是短基线的几何精度，能够得到较大程度提高，进而使得实景三位模型更加贴近测区内建构筑物的真值。所以，在构建测区实景三维模型时，应充分考虑像控点布设方案对三维模型绝对精度和相对精度的影响，在满足规范和应用要求的前提下，选择合理的像控点布设方式，减少工作量，降低建模成本。

4.结束语

本文采用无人机低空摄影测量技术获取某山地丘陵地区非规则区域的实景三维模型，根据研究需要，设计测区周边布设、测区中心布设、测区均匀布设及测区加密布设四种像控点布设方案，对不同方案所构建的实景三维模型精度进行分析评定，其中测区加密布设像控点所构建的三维模型精度最高，因其既满足了测区边缘形态要求，又能对测区的地形地势进行综合反映，但该方案与测区均匀布设像控点的模型精度相差无几，实际布设像控点时，需综合考虑建模成本和外业工作量；在测区中心布设像控点所构建的实景三维模型精度最低，主要是测区为非规则区域，中心布设像控点无法反映测区形状；同时对四种像控点布设方式的几何精度进行综合评判，结果表明：在满足测区边缘形状的条件下，加密布设像控点，所构建的三维模型几何精度最高。像控点的布设方式和实景模型的精度密切相关，在满足成果精度要求的前提下，不断对像控点布设方式进行优化，进而减少工作量，不断提高工作效率。