無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在1:500地籍測(cè)繪中的應(yīng)用

雷遠(yuǎn)華

摘要：隨著航空攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、植保、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、測(cè)繪等各個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)以往地籍測(cè)量存在低精度、低效率、高成本等缺點(diǎn)，本文以農(nóng)村1：500地籍測(cè)繪項(xiàng)目為例，詳細(xì)講述無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地籍測(cè)量工作中的應(yīng)用方法和操作細(xì)節(jié)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量可高效、高精度完成大部分1：500地籍圖測(cè)量工作。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);傾斜攝影;三維建模;地籍測(cè)繪

Abstract： With the development of aerial photogrammetry technology， drones are widely used in various fields such as agriculture， plant protection， express delivery， disaster relief， surveying and mapping. Aiming at the shortcomings of low accuracy， low efficiency， and high cost in the past cadastral surveying， this article takes the rural 1：500 cadastral surveying and mapping project as an example to describe in detail the application methods and operation details of the drone tilt photogrammetry technology in the cadastral surveying work. According to the experimental results， it is proved that the drone tilt photogrammetry can efficiently and accurately complete most of the 1：500 cadastral map survey work.

0? 引言

以往地形測(cè)繪采集數(shù)據(jù)的工具通常為全站儀和RTK，以上工作操作程序復(fù)雜、工作量大、效率低。數(shù)字正射影像DOM具有地物和地貌編輯屬性，然而數(shù)字正射影像對(duì)二維平面進(jìn)行內(nèi)業(yè)繪圖存在人工識(shí)別邊界線難度大、精度低的問(wèn)題。如何高效率、高精度、低成本地完成測(cè)繪任務(wù)成為時(shí)代發(fā)展的重要需求。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為目前發(fā)展較為迅速的新興技術(shù)，不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且顯著提高三維城市建模的速度，使三維城市建模成本大幅降低。傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展能夠很好的滿足工程測(cè)量中高效率、高精度、低成本的需求，可為構(gòu)建三維城市模型、完善地物信息數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、打造智慧城市提供巨大推動(dòng)力。本文以北方某鄉(xiāng)村為例詳細(xì)闡述傾斜攝影的原理和流程，并對(duì)建模和地形圖成果進(jìn)行精度驗(yàn)證，結(jié)果表明本文方法可以高效完成大部分1∶500地籍圖測(cè)量工作。

1? 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于北方某鄉(xiāng)村，本次航飛區(qū)域面積約為1平方公里，測(cè)區(qū)內(nèi)以農(nóng)村宅基地住房為主，地形起伏不高。因測(cè)區(qū)面積較大，總共布設(shè)3條航線，航向重疊率85%，旁向重疊率70%，像元尺寸大小為3.9μm。無(wú)人機(jī)飛行約60min，五個(gè)鏡頭總共獲得航片5425幅。

2? 傾斜攝影測(cè)量三維建模

傾斜攝影技術(shù)就是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從多個(gè)不同的角度采集影像，構(gòu)造符合客觀存在的真實(shí)世界。傾斜攝影測(cè)量主要分為兩個(gè)流程：外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)無(wú)人機(jī)根據(jù)既定規(guī)劃路線航飛從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集測(cè)量區(qū)域建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模負(fù)責(zé)根據(jù)采集到的高分辨率影像通過(guò)三維建模技術(shù)生成符合測(cè)量區(qū)域特征的三維模型。本文采用大疆M600PRO無(wú)人機(jī)搭載睿鉑相機(jī)DG3傾斜相機(jī)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用ContextCapture建模軟件和清華三維軟件EPS完成內(nèi)業(yè)三維建模。

2.1 傾斜攝影測(cè)量外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作主要流程有航飛區(qū)域及像控點(diǎn)位置規(guī)劃、像控點(diǎn)布設(shè)、起飛區(qū)域選取、飛行任務(wù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出和無(wú)人機(jī)收取整理。

①航飛區(qū)域及像控點(diǎn)位置規(guī)劃。首先在奧維地圖上規(guī)劃航飛區(qū)域以及布設(shè)像控點(diǎn)位置，然后導(dǎo)出航線KML文件并保存。為保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和精度，相鄰像控點(diǎn)之間的距離通常不超過(guò)200m，如圖2、圖3所示。

②像控點(diǎn)布設(shè)。安排人員實(shí)地布設(shè)像控點(diǎn)標(biāo)志并用RTK測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)。為方便后續(xù)進(jìn)行人工刺點(diǎn)，像控點(diǎn)實(shí)際位置應(yīng)無(wú)電線桿、樹(shù)木、樓房等地物遮擋，像控點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000。為了降低測(cè)量誤差，像控點(diǎn)坐標(biāo)每三十秒測(cè)量一次，測(cè)三次并取三次測(cè)量的平均值作為最終像控點(diǎn)坐標(biāo)，保證像控點(diǎn)精度在2～3cm。

③起飛區(qū)域選取。尋找飛行區(qū)域內(nèi)適合飛機(jī)起降的空曠區(qū)域（可以提前在奧維地圖上尋找），到達(dá)起飛區(qū)域后開(kāi)始組裝飛機(jī)，安裝起落架，組裝電池組，打開(kāi)GPS信號(hào)天線等。

④飛行任務(wù)設(shè)置。將規(guī)劃好的航線導(dǎo)入到DJ GS PRO軟件，導(dǎo)入航飛區(qū)域KML文件并新建任務(wù)，設(shè)置規(guī)劃航高（80m）、航向重疊度（85%）、旁向重疊度（70%）、返航高度（低于航高1～2m）、睿鉑相機(jī)鏡頭等參數(shù)，通過(guò)航高設(shè)置可以確定無(wú)人機(jī)飛行速度（8m/s）以及像片分辨率（控制在1.5cm左右）。根據(jù)測(cè)區(qū)地形情況和精度要求，軟件將會(huì)自動(dòng)生成最佳航線。

⑤采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出。飛行完畢后通過(guò)數(shù)據(jù)線連接航測(cè)專用筆記本，先進(jìn)行POS數(shù)據(jù)的下載，然后根據(jù)POS數(shù)據(jù)下載相片數(shù)據(jù)至航測(cè)專用筆記本。確保POS信息無(wú)遺漏，航片清晰，色彩豐富。像片數(shù)據(jù)傳輸完成后應(yīng)及時(shí)格式化相機(jī)里的相片以保證相機(jī)擁有足夠內(nèi)存進(jìn)行下次飛行任務(wù)。

⑥無(wú)人機(jī)整理。收起落架，拆卸電池組，套上相機(jī)防塵套，電池組充電等。

2.2 三維模型構(gòu)建

三維建模流程如圖5所示。

①首先依次打開(kāi)ContextCapture Engine和ContextCapture Master軟件，然后新建工程并命名并選擇保存工程文件位置。②然后依次導(dǎo)入影像，選擇坐標(biāo)系，人工刺點(diǎn)，空三加密聯(lián)合平差。人工刺點(diǎn)和空三加密聯(lián)合平差是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，可在”3D視圖”按鈕查看空三計(jì)算概略結(jié)果，直至空三質(zhì)量報(bào)告精度結(jié)果滿足要求即可。如圖6，展示了空三質(zhì)量報(bào)告中的重投影誤差值RMS為0.55。③其次進(jìn)行重建任務(wù)的設(shè)置。建模開(kāi)始之前，必須進(jìn)行建模參數(shù)設(shè)置。依次設(shè)置瓦片劃分模式及瓦片大小。需要注意單個(gè)瓦片內(nèi)存使用大小不能超過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小。④最后設(shè)置成果格式并提交重建任務(wù)。選擇生成產(chǎn)品的格式（.S3C），三維模型紋理壓縮比率（90%），選擇項(xiàng)目成果坐標(biāo)系（CGCS2000）等，然后提交任務(wù)并等待任務(wù)完成即可。⑤如圖7所示，通過(guò)三維模型生成對(duì)應(yīng)的數(shù)字正射影像DOM。⑥三維模型重建工程結(jié)束后，如圖8所示，通過(guò)ContextCapture Viewer打開(kāi)相對(duì)應(yīng)格式的模型文件即可查看三維模型重建的效果。

2.3 DLG的數(shù)據(jù)采集

通過(guò)清華三維測(cè)圖軟件EPS加載ContextCapture生成的三維模型。如圖9所示，以DSM和DOM為參考，在三維模型上對(duì)農(nóng)村宅基地進(jìn)行DLG的數(shù)據(jù)采集并繪制地籍圖。

①首先，將三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成對(duì)應(yīng)的DSM。②通過(guò)選擇EPS軟件中“加載傾斜影像”和“加載超大影像”分別加載DSM和DOM。③以DOM為參考，在三維模型上采用五點(diǎn)法或者線劃法對(duì)房屋進(jìn)行地籍圖的繪制，同時(shí)還可直接錄入房屋結(jié)構(gòu)、樓層數(shù)、高度等屬性信息。如道路、植被等某些地物可在DOM上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和繪制。

3? 精度分析

3.1 檢查點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)

利用全站儀實(shí)測(cè)的房屋界址點(diǎn)坐標(biāo)值與三維模型量測(cè)的坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比。如圖10，隨機(jī)抽出房屋地籍圖房角點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)。

3.2 精度對(duì)比

式（1）中：Ds為檢查點(diǎn)平均平面中誤差，單位為m;ΔX、ΔY檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)值與三維模型觀測(cè)值坐標(biāo)的誤差，單位為m;n為參與評(píng)定精度的檢查點(diǎn)數(shù)。

如表1所示，總共統(tǒng)計(jì)了二十個(gè)房角點(diǎn)，并均勻分布。檢查點(diǎn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。平面位置平均中誤差為0.046m，最小誤差為0.028m，最大誤差為0.129m。查閱地籍測(cè)繪規(guī)范CH5002-94標(biāo)準(zhǔn)得知：1：500地籍圖上坐標(biāo)點(diǎn)的最大展點(diǎn)誤差不得超過(guò)0.05m，其他地物點(diǎn)相對(duì)鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不超過(guò)0.25m。本次檢查點(diǎn)合格率為85%。個(gè)別檢查點(diǎn)出現(xiàn)誤差超限的可能原因是：飛行平臺(tái)穩(wěn)定性不足;人工進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。

4? 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)際案例，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展1∶500農(nóng)村房屋地籍圖測(cè)繪項(xiàng)目，并對(duì)三維建模和地形圖成果進(jìn)行精度驗(yàn)證。結(jié)果表明采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)與清華三維軟件EPS相結(jié)合的三維測(cè)圖方法可在一定程度解決這一問(wèn)題，完成外業(yè)測(cè)量任務(wù)的大部分工作。與傳統(tǒng)采用全站儀+RTK全野外測(cè)量方式相比，能大大減少外業(yè)的人力物力，節(jié)約時(shí)間，提高工作效率，成果更加豐富直觀的同時(shí)還能提高測(cè)圖質(zhì)量和精度。

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