無人機(jī)傾斜攝影測量在房地一體項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

馬婷

(天水三和數(shù)碼測繪院有限公司,甘肅 天水741000)

“房地一體”登記確權(quán)是我國實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、推動農(nóng)村制度改革,加快城鄉(xiāng)融合發(fā)展等工作的基礎(chǔ)[1],然而農(nóng)村“房地一體”不動產(chǎn)登記任務(wù)重、難度大、工期緊,是面臨的一個主要問題。傳統(tǒng)的地籍測量是利用全站儀、RTK、卷尺等工具,對房屋坐標(biāo)和距離進(jìn)行采集,但是這種作業(yè)方式工作量大、效率低、入戶難、成本高、風(fēng)險高,不能確保按時完成任務(wù),尋求一種高效的作業(yè)方式是非常緊迫的一項(xiàng)任務(wù)。傾斜攝影是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),具備采集數(shù)據(jù)靈活、分辨率高、地物信息豐富、產(chǎn)品精度高等特點(diǎn),受到越來越多企業(yè)的追捧。用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)大比例尺地形圖已經(jīng)是目前的主流技術(shù),然而采用傾斜攝影生產(chǎn)地籍圖,目前學(xué)者研究的并不多,因此,如果掌握傾斜攝影生產(chǎn)地籍圖的作業(yè)方式,會為同行業(yè)人員提供一種地籍圖生產(chǎn)方式,提高作業(yè)效率。本文主要對無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)和工作流程進(jìn)行了簡單講解,并以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例進(jìn)行工作流程的驗(yàn)證,最后對采用傾斜攝影方式獲得的地籍圖成果精度進(jìn)行檢測,結(jié)果表明：本文的方法生產(chǎn)的地籍圖精度滿足地籍測繪規(guī)范(CH 5002-94),可按本文的方法大規(guī)模展開作業(yè)。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)和工作流程

1.1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量工作流程

無人機(jī)傾斜攝影測量[2-3]是指在無人機(jī)飛行平臺上搭載多視角傾斜航攝儀和GPS/IMU 設(shè)備,然后對地面物體從空中多個視角進(jìn)行拍攝,經(jīng)過專業(yè)軟件對拍攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,依據(jù)共線方程恢復(fù)攝影時相機(jī)曝光點(diǎn)和影像上地物之間的相對關(guān)系,從而確定地物點(diǎn)坐標(biāo)在相機(jī)曝光時坐標(biāo)系下的位置,然后通過導(dǎo)入像控點(diǎn),通過局域網(wǎng)聯(lián)合平差,將相機(jī)所在的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到像控點(diǎn)所在的坐標(biāo)系統(tǒng)下,從而獲得符合生產(chǎn)要求的測繪成果。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影測量工作流程

無人機(jī)傾斜攝影測量分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分[4-5],外業(yè)主要是指原始影像的航攝和像控點(diǎn)的噴涂與采集,內(nèi)業(yè)主要是指三維模型生產(chǎn)和地籍圖生產(chǎn),具體流程見圖1。

2 項(xiàng)目驗(yàn)證

2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)地形屬于帶狀區(qū)域,兩側(cè)有海拔不等的山,房屋位于兩山之間,分布較集中,面積約0.9km2。房屋所在區(qū)域高差較小,最大約10 米,屬于典型的高山地地形。

2.2 航線規(guī)劃及數(shù)據(jù)獲取

結(jié)合地形和地籍測量精度指標(biāo)以及地面分辨率和模型分辨率之間的對應(yīng)關(guān)系,本次采用三和數(shù)碼SH-20X 六旋翼無人機(jī)進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)獲取。地面采樣分辨率設(shè)置為1.5cm,航向、旁向重疊度均設(shè)置為80%,航高設(shè)置為85 米。結(jié)合飛機(jī)的有效飛行面積,本次飛行劃分為2 架次,并對測區(qū)最外圍外擴(kuò)兩個航高的距離,以保證測區(qū)最外圍房屋側(cè)面信息完整。在三和數(shù)碼地面站進(jìn)行上述參數(shù)設(shè)置后,完成航線規(guī)劃。在天氣晴朗時進(jìn)行航攝,共獲得5 鏡頭航攝影像13560 張。

2.3 像控地標(biāo)噴涂及采集

由于地籍項(xiàng)目精度要求高,所以在航攝之前已對測區(qū)進(jìn)行地標(biāo)噴涂,采用紅色和白色油漆,噴涂對立的三角形。結(jié)合傾斜攝影的特點(diǎn),在像控點(diǎn)布設(shè)時,無需考慮航線數(shù)目,按照150-200 米的距離在測區(qū)均勻噴涂像控點(diǎn)地標(biāo),共布設(shè)像控點(diǎn)32 個。本次成果要求坐標(biāo)系為2000 國家大地坐標(biāo)系,高程基準(zhǔn)為大地高,按照高斯- 克呂格3 度投影進(jìn)行轉(zhuǎn)換。像控點(diǎn)使用GPS-RTK 采集,每個點(diǎn)位采集三次,最后點(diǎn)位坐標(biāo)為三次采集坐標(biāo)值的平均值。對于采集到的大地高,采用省級似大地水準(zhǔn)面精化成果將大地高轉(zhuǎn)換為正常高。在采集像控點(diǎn)的過程中,對點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)地拍攝,有助于精準(zhǔn)快速對點(diǎn)位進(jìn)行判讀。為了檢測后期地籍成果的精度,在測區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集了25 個檢測點(diǎn),檢測點(diǎn)分布于整個測區(qū),且都為房角點(diǎn),采集的同時也進(jìn)行了實(shí)地照片拍攝。

2.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用Photoshop 軟件對獲取的影像進(jìn)行勻光勻色處理,提高影像的質(zhì)量。刪除無效影像,利用拖把更名器軟件對5 鏡頭影像進(jìn)行重命名,確保所有影像無重名。利用Ultra Edit 軟件對航飛原始pos 數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理、更名,確保影像和位置信息一一對應(yīng)。對像控點(diǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到最終可用的像控點(diǎn)成果表。

2.5 空中三角測量及平差調(diào)整

本次建模使用Context Capture 軟件,新建工程,導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)和pos 數(shù)據(jù),設(shè)置引擎運(yùn)行路徑,完善工程中各相機(jī)參數(shù)。針對Context Capture 軟件空三加密失敗率高,成果容易出現(xiàn)分層、彎曲的問題,本文采取對相機(jī)的內(nèi)方位元素進(jìn)行優(yōu)化的作業(yè)方式。在對數(shù)據(jù)處理之前,首先加載每個鏡頭的前100 張有效影像進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,待解算完成后,獲取每個鏡頭的相機(jī)參數(shù),主要是指內(nèi)方位元素和畸變參數(shù)。加載所有的影像,導(dǎo)入外方位元素,用解算出來的相機(jī)參數(shù)完善工程中的焦距等,這樣可以提高空中三角測量的成功率。在空三加密參數(shù)設(shè)置中,默認(rèn)通用的匹配方式即可,提交任務(wù),開啟引擎,任務(wù)開始運(yùn)行。

待空三解算完成后,結(jié)合空三加密質(zhì)量報(bào)告和人眼交互查看空三成果的方式,對解算的成果進(jìn)行查看。報(bào)告中給出加密點(diǎn)中誤差為0.56 個像素,重投影中誤差為0.61 個像素,精度小于2/3 個像元,成果精度符合要求。通過交互查看,空三成果無分層,無完全變形,成果可用。

由于無人機(jī)搭載的是非量測數(shù)碼相機(jī),加之傾斜方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,導(dǎo)致影像邊緣變形嚴(yán)重。本次搭載的5 鏡頭相機(jī),側(cè)視鏡頭與垂直鏡頭夾角呈45 度,結(jié)合分辨率與航高的關(guān)系,可知側(cè)視鏡頭影像邊緣分辨率與垂直鏡頭的差異大,如果對邊緣的像控點(diǎn)點(diǎn)位進(jìn)行轉(zhuǎn)刺,會影響到空中三角測量整體的精度。綜上,本次在對像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺時,通過目視判斷,對位于影像邊緣1/10 外的像控點(diǎn)點(diǎn)位不進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。

設(shè)置坐標(biāo)系,導(dǎo)入整理后的像控點(diǎn)成果,對像控點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺。首先對每個鏡頭每個點(diǎn)位轉(zhuǎn)刺3-5 張影像,然后進(jìn)行平差。在平差的基礎(chǔ)上,對剩余的符合優(yōu)化條件的點(diǎn)位進(jìn)行轉(zhuǎn)刺并平差,這樣可以提高像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺的效率,也可以提高整個空三加密成果的精度。

通過對平差質(zhì)量報(bào)告查看,本次像控點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差為0.021m,高程點(diǎn)位中誤差為0.034m。結(jié)合地籍成果要求精度,本次空三成果符合生產(chǎn)需求。

導(dǎo)出平差后的含有連接點(diǎn)的空三成果,坐標(biāo)系選擇與像控點(diǎn)坐標(biāo)系一致,并輸出糾正畸變后的影像。

2.6 三維模型生產(chǎn)

在平差精度符合要求后,開始生產(chǎn)實(shí)景三維模型。首先根據(jù)像控點(diǎn)的坐標(biāo)系設(shè)置空間框架參考系統(tǒng),按照規(guī)則平面格網(wǎng)切塊,導(dǎo)入測區(qū)范圍線,根據(jù)電腦內(nèi)存大小設(shè)置瓦片大小為100m*100m,然后幾何簡化選擇平面,容差設(shè)置為0 米,盡可能保留建筑物頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)。任務(wù)提交里,選擇輸出模型的格式為*.OSGB,空間參考系統(tǒng)和像控點(diǎn)的一致,提交任務(wù)待模型生產(chǎn)完成。

3 傾斜攝影成果矢量采集

利用清華三維的EPS 軟件,將空三加密成果恢復(fù)到EPS 軟件中,并導(dǎo)入實(shí)景三維模型,然后利用EPS 對房屋進(jìn)行采集。對于模型結(jié)構(gòu)完整的房屋,可在模型上直接采集,這樣效率更高；對于模型結(jié)構(gòu)變形、拉花嚴(yán)重,無法判斷房屋邊緣、頂點(diǎn)的房屋,可利用恢復(fù)好的立體像對在立體環(huán)境下進(jìn)行采集,這樣可以彌補(bǔ)裸眼采集精度的不足,但是效率較低。

4 精度評價

利用已有的25 個房角檢測點(diǎn),采用高精度檢測方式對采集編輯完成后待提交的地籍成果,利用EPS 軟件進(jìn)行精度檢測,各檢測點(diǎn)平面精度見表1 所示。

表1 各檢測點(diǎn)平面精度檢測表

本次項(xiàng)目驗(yàn)證,平面點(diǎn)位誤差最大為6.4cm,最小為2.9cm,無超過2 倍中誤差的檢測點(diǎn),利用高精度中誤差計(jì)算公式對檢測點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算時,所有檢測點(diǎn)都是有效的,通過計(jì)算可得本次項(xiàng)目的平面點(diǎn)位中誤差為4.7cm,符合地籍測圖要求,成果可用。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)地籍測量存在的諸多問題,本文采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作業(yè)方式,利用無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,結(jié)合建模軟件和地籍圖采集編輯軟件進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)的生產(chǎn),并對各重要環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。首先對Context Capture 的空三加密環(huán)節(jié)作業(yè)方法進(jìn)行了優(yōu)化,提高了空中三角測量的精度,盡可能保留了建筑物頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)；其次在地籍圖采集環(huán)節(jié),利用多視影像恢復(fù)立體像對,結(jié)合實(shí)景三維模型進(jìn)行虛擬- 真實(shí)混合采集方式,對于模型拉花的房屋,可采用恢復(fù)立體像對的方式進(jìn)行立體采集,對于模型完好的房屋,可采用裸眼方式進(jìn)行采集。通過虛擬- 真實(shí)混合采集方式,不但提高了地籍圖成果的精度,而且較傳統(tǒng)地籍測量方式,作業(yè)效率顯著提升,節(jié)約了大量的時間和成本。本文提出的方法具有一定的實(shí)用價值和推廣價值,可保障農(nóng)村房地一體不動產(chǎn)登記確權(quán)項(xiàng)目順利按時完成。