基于無人機傾斜攝像技術(shù)的土地測量研究

曹玉琴

摘要：為了探究無人機傾斜攝像技術(shù)在土地測量中的應(yīng)用，首先對無人機傾斜攝影技術(shù)基本理論進行了分析;然后以我國浙江省德清市某試驗區(qū)域為背景，以地籍圖測量為例，對數(shù)據(jù)采集及處理和地籍圖矢量化進行了介紹;最后結(jié)合RTK實地測量，對航測技術(shù)的精度進行了評定。試驗及研究表明，第一，無人機攝影測繪技術(shù)具有自動化程度高、測繪高效率及耗費時間短等優(yōu)點;其次，地籍圖精度評定結(jié)果表明，航測技術(shù)所得精度完全滿足當(dāng)前我國對1：1000地籍圖測量和1：500地形圖測量精度要求;最后，無人機傾斜攝像技術(shù)一次性覆蓋面少、相機質(zhì)量低和獲取的數(shù)據(jù)量巨大目前仍舊為目前航測技術(shù)推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開更多的研究來實現(xiàn)技術(shù)突破。

關(guān)鍵詞：無人機;傾斜攝像技術(shù);土地測量;精度評定

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)志碼：A

ResearchonLandSurveyBasedonUAVTiltCameraTechnology

CAOYuqin

（

ZhangyeLandPlanningandSurveyingInstitute，Zhangye734000，China

）

Abstract：ThispapertakesatestareainDeqingCityofZhejiangProvinceasthebackground，andtakescadastralsurveyasanexampletoexploretheapplicationofUAVtiltcameratechnologyinlandsurvey.Firstly，thebasictheoryofUAVtiltphotographyisanalyzed.Thenthedataacquisitionandprocessingandthevectorizationofcadastralsurveyareintroduced.Finally，combiningwithRTKfieldsurvey，theaccuracyofaerialsurveytechnologyisevaluated.Testandresearchshowthat，firstly，UAVphotogrammetrytechnologyhastheadvantagesofhighautomation，highefficiencyandshorttimeconsumption;secondly，theaccuracyevaluationresultsofcadastralmapshowthattheaccuracyobtainedbyaerialsurveytechnologyfullymeetsthecurrentrequirementsof1：1000CadastralMapSurveyand1：500TopographicMapSurveyinChina;finally，theUAVtiltcameratechnologyhasfewonetimecoverage，lowcameraqualityandhugeamountofdata.Atpresent，itisstillthebottleneckinthepromotionanduseofaerialsurveytechnology，whichneedsmoreresearchtoachievetechnicalbreakthrough.

Keywords：UAV;tiltcameratechnology;landsurvey;accuracyevaluation

0引言

隨著計算機和無人機等技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機航空攝影測量技術(shù)也逐漸被測量研究者和從業(yè)者所重視，無人機攝影測量技術(shù)也因其耗時短、人工成本低廉、可重復(fù)性強等優(yōu)點而一直被視圖廣泛應(yīng)用于土地測量中[12]。傳統(tǒng)的土地測量是利用全站儀、RTK等測繪儀器，人工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并配合記錄現(xiàn)場實際物體的概況，后經(jīng)內(nèi)頁處理，形成電子版土地信息[3]。尤其在地籍圖測量中，完成一次全國性的地籍圖測量，采用傳統(tǒng)的方法需要耗費大量的人力和物力，而且受移動速度、透視環(huán)境、接受信號等限制，人工測繪的速度及其有限，實際的地籍圖變化情況很難得以及時更新[4]。對比之下，無人機攝影測繪技術(shù)因自動化程度高而帶來的高效率、短周期且能獲得三維數(shù)據(jù)等特點在土地測量中凸顯出了更具使用前景和研究的價值[56]。為此，本文以浙江省德清市某試驗區(qū)域為背景，以地籍圖測量為例，對基于無人機傾斜攝像技術(shù)的土地測量技術(shù)展開研究，旨于為無人機傾斜攝像技術(shù)在土地測量中加速推廣使用提供理論和技術(shù)支持。

1無人機傾斜攝影技術(shù)理論

無人機傾斜攝影系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

無人機傾斜攝影系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程，主要包含檢測設(shè)備進場、航攝前準備、航測數(shù)據(jù)獲取及航測后作業(yè)等4個方面[7]。因為現(xiàn)在飛行器不允許隨便飛行，隨意航測前應(yīng)先對測區(qū)踏勘，出具初步航測設(shè)計方案并就航測飛行區(qū)域向相關(guān)部門提交申請，上述即為航測設(shè)備進場作業(yè)[8]。航測前準備工作包括航線設(shè)計，航測過程中既有設(shè)施、設(shè)備及人員和機器安全保護措施，及飛行器起飛前的檢查工作。航測準備工作完成后即可執(zhí)行航測過程，航測后需要對數(shù)據(jù)備份并保障測量數(shù)據(jù)安全，然后確認相關(guān)設(shè)備設(shè)施的安全且沒有損壞。至此，一次航測作業(yè)完成，以下對無人機傾斜攝影的基本原理及數(shù)據(jù)采集進行簡要介紹。

1.1基本原理

無人機攝影測量是通過將攝像機搭載在無人機上，綜合無人機的飛行功能和攝像機的攝像功能來完成攝像的過程。為了保證精度和攝像范圍，一個無人機上往往搭載多個攝像機，搭載過程中攝像機的光軸與鉛錘方向有一定夾角，因此也稱之為無人機傾斜攝影，對于常用的5個攝像機的設(shè)備，一般搭設(shè)下視、前視、后視、左視和右視攝像機，其中下視為鉛錘視角，其余4個視角與鉛錘視角間夾角可在15°～45°之間進行調(diào)整[910]。無人機上搭載的一般為PostProcessingKinematic（PPK，GPS動態(tài)后處理差分）其精度完全滿足土地測量的需求，而RealTimeKinematic測量系統(tǒng)，雖然精度高，但目前尚無法滿足無人機高速飛行狀態(tài)下的位置記錄，為完成試驗數(shù)據(jù)驗證，本文采用RTK配合無人機校準測量區(qū)域坐標(biāo)，如圖2所示。

選定試驗區(qū)域為我國浙江省德清市某地塊，選定區(qū)域面積為600m×400m，區(qū)域內(nèi)無高大樹木和建筑，且沒有變電站等強磁場區(qū)域。

多視角攝像機通過時間核準其采集的圖像，配備相應(yīng)的計算機系統(tǒng)控制多臺攝像機同時觸發(fā)攝像功能，集中采集土地信息數(shù)據(jù)并同步[11]。同時無人機攝像設(shè)備自帶的姿態(tài)測量裝置獲取每一個攝像機的姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)與土地測量信息同步儲存起來，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到真實的土地測量信息[12]。

1.2數(shù)據(jù)采集

本文以本次所采用的六旋翼五相機無人機搭載傾斜攝影相機（以下簡稱相機）為例，對其數(shù)據(jù)采集過程進行介紹。該相機具備鉛錘和前后左右共計5個影像采集相機，最高飛行高度280m（自其起飛點計算），最大分辨率和最小曝光間距分別為0.02m和5s，相機總像素超18千萬像素，5個相機鏡頭均采用28mm/F2.4（等效焦距）。4個非鉛錘視角和鉛錘視角之間的夾角均可以可在15°～45°之間進行調(diào)整，相機實物圖如圖3所示。

本次數(shù)據(jù)采集過程中，相機夾角選擇40°，縱向重疊和橫向重疊度分別為80%和60%，航飛高度200m。

2無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，首先確定測區(qū)并在測區(qū)內(nèi)確定最高和最低海拔高度及測區(qū)平均海拔高度，以確定航線及起測點，數(shù)據(jù)獲取流程見圖1所示。無人機5個相機的數(shù)據(jù)分別儲存在5個文件夾下，獲取數(shù)據(jù)后首先檢查攝影區(qū)域的重疊度，對于不滿足預(yù)設(shè)需求的進行補測，以正射視角相機的時間參數(shù)校準其余4個相機所采集的數(shù)據(jù)，并將其連接在一起進行處理，對于時間參數(shù)不一致的數(shù)據(jù)進行刪除，以保證最終留下的相片與坐標(biāo)點、經(jīng)緯度等參數(shù)（POS參數(shù)）能夠一一對應(yīng)[13]。

航測所得數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后的數(shù)據(jù)處理流程，此次土地信息數(shù)據(jù)處理軟件使用當(dāng)前使用較多的Smart3Dcapture。該軟件既能在靜態(tài)影響處理中使用，還可以在攝像機中獲取視頻幀，在ContextCaptuerMaster模塊內(nèi)新建工程，然后通過空中三角測量計算得到基于實際土地信息的點云并在這些高密度點云的基礎(chǔ)上，通過時間等參數(shù)對不同文件夾下的影像數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)并計算，最終得到影像圖生成數(shù)字化地表模型、正射影像圖及全景三維模型。精度評定如表1所示。

3地籍矢量化及精度評定

模型在三維平臺上展現(xiàn)的正射影響效果如圖5所示。

不同視角下全景地表模型圖如圖6（a）（b）所示。

航測和計算所得的全景真實地表模型，其中圖5為模型在三維平臺上展現(xiàn)的正射影響效果，圖6（a）為40°俯視效果圖，圖6（b）為其局部放大效果圖。由圖可見，通過對不同視角圖像的操作，我們便可以獲得測區(qū)內(nèi)地表信息的細部特點。

Smart3Dcapture軟件在基于現(xiàn)場航測所得信息建模時已經(jīng)通過航測控制點和RTK測量所得的真實坐標(biāo)進行過核對，所以計算所得的三維虛擬模型與真實地表信息誤差在我們允許范圍內(nèi)，可視為虛擬模型與真實信息具備一致性。本文給出局部基于三維模型繪制的二維矢量地籍圖，如圖7所示。

圖7中所標(biāo)記的紅點即為精度驗證標(biāo)記點，紅色線條為地表建筑物及測區(qū)內(nèi)主干道邊界線。鑒于航測所得的三維虛擬模型與真實地表信息誤差完全在地籍圖測量的誤差允許范圍以內(nèi)，因此當(dāng)獲得三維全景模型后，結(jié)合所得數(shù)據(jù)，我們可以很塊地確定測區(qū)內(nèi)地籍圖測量所需信息。

綜上所述，因為在誤差允許范圍內(nèi)，虛擬模型與真實信息可視為具備一致性，因此對地籍圖測量的準確性可以借助于對三維模型準確度評價進行表征。本文選取圖7所示的5個精度驗證標(biāo)記點為例，采用RTK對其進行現(xiàn)場實測。精度評定結(jié)果如表2所示。

4總結(jié)

本文以浙江省德清市某試驗區(qū)域為背景，以地籍圖測量為例，通過對無人機傾斜攝影技術(shù)基本理論、數(shù)據(jù)采集及處理和地籍圖矢量化及結(jié)合RTK的精度評定的研究，對無人機傾斜攝像技術(shù)在土地測量中的應(yīng)用進行了研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）無人機攝影測繪技術(shù)因自動化程度高而帶來的高效率、短周期且能獲得三維數(shù)據(jù)，通過軟件計算便能獲得準確的土地信息，避免了傳統(tǒng)測量方法耗時耗力的弊端，具備極大的推廣使用價值;

（2）地籍圖精度評定結(jié)果表明，無人機攝影測繪技術(shù)所得精度完全滿足當(dāng)前我國對1：1000地籍圖測量和1：500地形圖測量精度（分別為0.05m和0.1m）的要求;

（3）雖然無人機攝影測繪技術(shù)有諸多優(yōu)點，但其一次性覆蓋面少、相機質(zhì)量低和獲取的數(shù)據(jù)量巨大仍舊為目前航測技術(shù)推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開更多的研究來實現(xiàn)技術(shù)突破。

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（收稿日期：2020.03.11）