單鏡頭無(wú)人機(jī)在農(nóng)房測(cè)量中的應(yīng)用及精度驗(yàn)證

張艷明，楊永崇，郭嵐，王益展

(西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710000)

0 引言

傳統(tǒng)大比例(1∶500、1∶1 000、1∶2 000)地形圖測(cè)量主要采用全野外測(cè)繪的方法，采集要素多、精度高，資金和時(shí)間消耗大。近年來(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影已基本取代傳統(tǒng)人工全野外測(cè)繪，成為小區(qū)域大比例尺測(cè)圖的主流方式。但傳統(tǒng)傾斜攝影測(cè)量一直沒(méi)有突破5 cm點(diǎn)位中誤差要求，這就限制了無(wú)人機(jī)在高精度地籍測(cè)量項(xiàng)目中的應(yīng)用，特別是對(duì)于廣泛使用的單鏡頭無(wú)人機(jī)，更是限制了其發(fā)展。

集體土地(含宅基地)使用權(quán)及農(nóng)房所有權(quán)不動(dòng)產(chǎn)調(diào)查測(cè)繪(簡(jiǎn)稱農(nóng)房測(cè)量)是當(dāng)前測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)農(nóng)房測(cè)量一般采用全野外測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量方式，采用全站儀+GPS+鋼尺相結(jié)合的方法[1]。此方法雖然精度高，但具有一定的局限性，作業(yè)效率低、成本高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)[2]。因此，傾斜攝影技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)房測(cè)量之中。對(duì)于高精度農(nóng)房的測(cè)量，也已出現(xiàn)不少滿足規(guī)范要求的五鏡頭無(wú)人機(jī)的研究，但是對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)法承擔(dān)五鏡頭的高額費(fèi)用。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的理論分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，其表達(dá)如式(1)所示。

H=f×GSD/α

(1)

式中：H為航攝高度，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；α為像元尺寸，單位為mm；GSD為地面分辨率，單位為m[3-4]。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，使用的無(wú)人機(jī)為大疆精靈4。無(wú)人機(jī)焦距為2.8 mm。農(nóng)房測(cè)量所需要的地面分辨率為5 cm，像元尺寸為0.002 4 mm。通過(guò)計(jì)算可知，航高為58.3 m。結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)域?qū)嵉厍闆r，本次實(shí)驗(yàn)航高設(shè)置為60 m。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影規(guī)范規(guī)定，航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于 53%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)，旁向重疊度是明顯不夠的[4-6]。研究相關(guān)結(jié)論可知，對(duì)于一個(gè)點(diǎn)，不同角度的拍攝照片越多其精度越高。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)理論分析再考慮單鏡頭的效果，航向與旁向重疊度都設(shè)置為80%。

控制測(cè)量是為了保證空三的精度、確定地物目標(biāo)在空間中的絕對(duì)位置[4]，因此，像控點(diǎn)的布設(shè)是至關(guān)重要的。在大比例尺項(xiàng)目的生產(chǎn)過(guò)程中，五鏡頭無(wú)人機(jī)本身自帶高精度POS系統(tǒng)輔助，可適當(dāng)減少控制點(diǎn)的數(shù)量， 按照1.5 km間距布設(shè)控制點(diǎn)[7]。相反，單鏡頭無(wú)人機(jī)的POS數(shù)據(jù)精度較低。因此，為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，每平方千米布設(shè)20個(gè)左右的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)如果布設(shè)太密集，可能會(huì)耗時(shí)耗力；相反布設(shè)太稀疏，會(huì)影響其精度。傾斜攝影技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)攝影技術(shù)在影像重疊度上要求更高。無(wú)人機(jī)通常采用 GPS 定位模式，自身帶有 POS 數(shù)據(jù)，對(duì)確定影像間的相對(duì)位置作用明顯，可以提高空三計(jì)算的準(zhǔn)確度[4]。

因此，結(jié)合相關(guān)原理，分析計(jì)算得出要滿足農(nóng)房測(cè)量5 cm精度，則必須滿足以下有關(guān)參數(shù)。無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)攝影參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 全野外數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗(yàn)主要在蘭州市皋蘭縣砂崗村進(jìn)行。該地區(qū)地勢(shì)平坦、無(wú)復(fù)雜地形，建筑物分布均勻、植被較少，多數(shù)為單層房屋，適合實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為上午10點(diǎn)到下午3點(diǎn)。無(wú)人機(jī)飛行速度為20 m/s,續(xù)航時(shí)間為28 min。天氣晴朗無(wú)云，有微風(fēng)可能會(huì)造成精度的降低。

由于像控點(diǎn)的布設(shè)位置以及像控點(diǎn)的精度對(duì)模型的精度起著至關(guān)重要的作用，因此，在布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，依據(jù)整個(gè)航線區(qū)域來(lái)選擇布設(shè)。采用格網(wǎng)布設(shè)方法。首先，整個(gè)區(qū)域的四角必須布設(shè)像控點(diǎn)，保證周邊的重疊度；其次，在內(nèi)部布設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量選擇地勢(shì)平坦且無(wú)周圍無(wú)明顯遮擋物的地區(qū)均勻布設(shè)，像控點(diǎn)的點(diǎn)位標(biāo)志必須清晰明了。出于對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的檢查點(diǎn)布設(shè)，因此，檢查點(diǎn)選擇一些房屋的角點(diǎn)以及一些墻角點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn)13個(gè)，檢查點(diǎn)28個(gè)，分布情況如圖1所示。

圖1 所布設(shè)像控點(diǎn)位置

2.2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)對(duì)相片進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)獲取的傾斜影像數(shù)據(jù)利用Smart3DCapture軟件進(jìn)行三維建模[8-10]，進(jìn)行空三加密計(jì)算，最后形成高精度的三維模型(圖2)。

圖2 三維模型示意圖

最終計(jì)算的空三加密精為：Mxy=0.054 m，Mz=0.014 m，滿足《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1∶500、1∶ 1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范(GB/T 7930—2008) 》的要求[11-12]。對(duì)于空三加密，像控點(diǎn)測(cè)量的精度起到很大的作用。像控點(diǎn)是加密測(cè)量的基礎(chǔ)和定向的依據(jù)，高精度的像控點(diǎn)能有效控制加密點(diǎn)的誤差累計(jì)和傳輸[13]。因此，外業(yè)人員在選擇像控點(diǎn)的時(shí)候必須選擇清晰、明顯的位置，內(nèi)業(yè)人員在進(jìn)行刺點(diǎn)的過(guò)程中，認(rèn)真細(xì)心，充分利用框標(biāo)對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位以便減少誤差的累計(jì)。

將建立的三維模型導(dǎo)入EPS中，分別通過(guò)不同的人進(jìn)行農(nóng)房的裸眼采集，得到二維平面圖(圖3)。

圖3 二維平面圖

經(jīng)過(guò)多人采集分析精度得知,在EPS采集過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1)采集時(shí)模型墻面有變形、凹凸，采集點(diǎn)不同導(dǎo)致誤差，或采集點(diǎn)分別在墻面和窗戶上導(dǎo)致誤差(此房屋窗戶與墻面屬于同一平面，但精確的坐標(biāo)有誤差)。應(yīng)將模型旋轉(zhuǎn)到相對(duì)清晰的角度，尋找相對(duì)變形不嚴(yán)重、平滑的地方進(jìn)行采集。

2)由于房檐有一定的高度，采集點(diǎn)在房檐上檐和下檐導(dǎo)致高程誤差較大。作業(yè)開(kāi)始之前應(yīng)確定好此類房屋的高程定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3)磚房高程誤差產(chǎn)生原因?yàn)榇u房頂是有坡度的房頂，每排瓦片高程不同，采集點(diǎn)稍微有偏差就導(dǎo)致高程誤差。此類房屋多為五點(diǎn)房方法進(jìn)行繪制，X坐標(biāo)取決于第一個(gè)采集點(diǎn)和第二個(gè)采集點(diǎn)，采集點(diǎn)取在房頂和側(cè)墻就會(huì)差一個(gè)磚塊厚度，從而導(dǎo)致偏差。應(yīng)該對(duì)磚房進(jìn)行實(shí)物觀察，確定一個(gè)采集點(diǎn)，以保證以后作業(yè)的精確度。

因此，在EPS采集過(guò)程中必須仔細(xì)研究模型，以便滿足精度要求。

2.3 精度分析

為了保證農(nóng)房的精度要求，本實(shí)驗(yàn)選取了28個(gè)檢測(cè)點(diǎn)作精度對(duì)比。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采集后的坐標(biāo)與實(shí)地采集的坐標(biāo)進(jìn)行差值計(jì)算，分別得到X與Y的限差如表2所示。

通過(guò)分析，有1個(gè)超限不滿足精度要求，故對(duì)其余檢查點(diǎn)進(jìn)行分析，并繪制出直方圖與正態(tài)分布曲線圖(圖4、圖5)。

表2 誤差統(tǒng)計(jì)表

圖4 X軸誤差分布圖

通過(guò)分析圖4和圖5可知，X軸方向的誤差范圍為-8～10 cm之間，Y軸方向的誤差范圍為-8～8 cm之間，充分體現(xiàn)偶然誤差的規(guī)律。X軸方向的誤差主要分布在-6～6 cm之間，總共占有24個(gè)檢查點(diǎn)，占總數(shù)的88.89%；而誤差分布在-8～-6 cm、6～10 cm之間的共3個(gè)檢查點(diǎn)，占總數(shù)的11.11%。Y軸方向的誤差主要分布在-4～6 cm之間，總共占有25個(gè)檢查點(diǎn)，占總數(shù)的92.6%；而誤差分布在-6～-4 cm、6～8 cm之間的共2個(gè)檢查點(diǎn)，占總數(shù)的7.4%。這充分體現(xiàn)了誤差具有集中性的體征。而且X、Y軸的誤差分布均符合偶然誤差的分布規(guī)律[14]，滿足要求。因此，這27個(gè)檢查點(diǎn)滿足要求，可進(jìn)行更深層次的研究。

圖5 Y軸誤差分布圖

對(duì)各個(gè)界址點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位高精度及等精度中誤差計(jì)算可知，房屋界址點(diǎn)的中誤差為4.12 cm，小于中誤差5 cm[15]，故滿足國(guó)家規(guī)范所要求的精度。因此，單鏡頭無(wú)人機(jī)可應(yīng)用于小范圍高精度的農(nóng)房測(cè)量實(shí)踐中。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)嘗試單鏡頭無(wú)人機(jī)模擬五鏡頭進(jìn)行農(nóng)房測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以砂崗村為例，通過(guò)理論分析研究無(wú)人機(jī)在農(nóng)房測(cè)量中的技術(shù)應(yīng)用、規(guī)范流程設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，單鏡頭無(wú)人機(jī)可以滿足農(nóng)房測(cè)量的精度要求，符合國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，也極大提高了工作效率、節(jié)省了大量人力、物力等資源。這為單鏡頭無(wú)人機(jī)在農(nóng)房測(cè)量中的使用提供了一個(gè)技術(shù)參考。具體結(jié)論如下。

1)單鏡頭無(wú)人機(jī)在飛行高度為60 m，旁向重疊度和航向重疊度設(shè)置為80%、80%，則可滿足農(nóng)房測(cè)量的規(guī)范要求。

2)通過(guò)對(duì)理論的分析可知，在農(nóng)房測(cè)量中，無(wú)人機(jī)的高度、重疊度的設(shè)置以及像控點(diǎn)的布設(shè)嚴(yán)格按照相關(guān)理論設(shè)置，并結(jié)合實(shí)際情況分析處理，這對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有著關(guān)鍵作用。

3)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)以及進(jìn)行精度分析可知，界址點(diǎn)中誤差為4.12 cm，小于中誤差5 cm，滿足國(guó)家規(guī)范精度要求。

4)單鏡頭無(wú)人機(jī)在農(nóng)房測(cè)量中具有成本低、數(shù)據(jù)量小以及處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在小范圍測(cè)量區(qū)域可以推廣使用。相比較大規(guī)模、大面積測(cè)量區(qū)域，單鏡頭無(wú)人機(jī)耗時(shí)較長(zhǎng)、精度較低，不建議采用。因此，本文為小范圍區(qū)域的農(nóng)房測(cè)量提供技術(shù)參考。