無人機(jī)傾斜攝影測量在農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記中的作業(yè)方法

曹 強(qiáng)

(浙江省工程物探勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 浙江 杭州 310005)

0 引言

目前,房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記項(xiàng)目正在全國多個(gè)省市展開。房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記是將農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)及土地上的建筑物、構(gòu)筑物實(shí)行統(tǒng)一權(quán)籍調(diào)查、統(tǒng)一確權(quán)登記、統(tǒng)一頒發(fā)房地一體不動(dòng)產(chǎn)權(quán)證書的一項(xiàng)重要工作[1]。

房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)發(fā)證工作是黨中央確定的重大惠民工程,連續(xù)5年寫入中央一號(hào)文件。通過開展房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記,能夠使農(nóng)民享有的宅基地和集體建設(shè)用地使用權(quán)依法得到確認(rèn)和法律保護(hù),維護(hù)農(nóng)民合法權(quán)益,促進(jìn)農(nóng)村社會(huì)秩序和諧與穩(wěn)定。為深化農(nóng)村改革、推動(dòng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、促進(jìn)城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展奠定產(chǎn)權(quán)依據(jù)[2]。

1 作業(yè)流程

房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記意義重大,涉及農(nóng)民的切身利益,所以房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記對(duì)測量精度要求較高,一般要求房屋界址點(diǎn)精度為5 cm[3]。

目前,房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記主流的測繪方法是利用旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭進(jìn)行傾斜攝影測繪,在房屋遮擋嚴(yán)重或者房屋較分散的區(qū)域,采用全站儀+實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic，RTK)配合作業(yè)的方法進(jìn)行修補(bǔ)測。

內(nèi)業(yè)主要采用ContextCapture或者PhotoScan進(jìn)行三維建模和數(shù)字正射影像(Digital Orthophoto Map，DOM)制作,然后將三維模型導(dǎo)入測圖系統(tǒng)(EPS)進(jìn)行三維測圖。

房地一體主要的測繪作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記的測繪作業(yè)流程圖

2 飛行設(shè)備

房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記測繪一般采用旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭進(jìn)行傾斜攝影。為獲取高精度的定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)數(shù)據(jù),差分模式最好采用事后處理的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(Post Processed Kinematic，PPK)模式[4]。以飛馬D200航攝系統(tǒng)為例,如圖2所示,設(shè)備參數(shù)見表1所示。

圖2 飛馬D200無人機(jī)

表1 航攝設(shè)備參數(shù)

3 飛行設(shè)計(jì)

(1)地面分辨率:根據(jù)經(jīng)驗(yàn),傾斜攝影模型精度是同工程正射分辨率的3倍[5]。因此,為了確保平面5 cm精度的要求,影像的地面分辨率應(yīng)優(yōu)于2 cm。實(shí)際工作中,一般取地面分辨率為1.5～1.6 cm。

(2)重疊度:房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記傾斜攝影一般要求較高的航向和旁向重疊度,一般航向重疊度設(shè)為80%～85%,旁向重疊度應(yīng)大于75%。

(3)航高:根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

h=f×GSD/a

(1)

式(1)中:f為鏡頭焦距;GSD為地面分辨率;a為像元尺寸。

D200均采用傾斜相機(jī)像主點(diǎn)分辨率規(guī)劃航線。

(4)像片地面覆蓋范圍:

根據(jù)航攝對(duì)應(yīng)的相似三角形容易得到:

(2)

式(2)中,Sp為像片在飛行方向上(高度方向)覆蓋的距離;Sq為像片在寬度方向覆蓋的距離;dp為傳感器高度;dq為傳感器寬度，如圖3所示。

圖3 航攝對(duì)應(yīng)的相似三角形

4 相控點(diǎn)布設(shè)

(1)點(diǎn)位選擇[6]

①控制點(diǎn)應(yīng)分布均勻,能控制整個(gè)測區(qū);

②像片控制點(diǎn)的目標(biāo)影像應(yīng)清晰,易于判別;

③影像邊緣畸變較大,因此控制點(diǎn)距像片邊緣不應(yīng)小于1～1.5 cm;

④一般布設(shè)在道路交叉口或者斑馬線角點(diǎn)。

(2)密度要求

為達(dá)到房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記要求的5 cm的測繪精度,一般航向上150～200 m布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn),旁向上每隔2～3條航線依次布設(shè)。同時(shí)應(yīng)布設(shè)適量的檢查點(diǎn),用于檢查空三和三維模型的精度。

根據(jù)之前的研究,像控點(diǎn)數(shù)量與空三解算中誤差精度呈冪函數(shù)變化。隨著像控點(diǎn)數(shù)數(shù)量的增加,解算精度雖逐漸提高,但地面控制點(diǎn)數(shù)量趨于一定的時(shí)候,其解算精度也逐漸趨于穩(wěn)定[7]。因此上述像控點(diǎn)密度已經(jīng)足夠滿足測量精度的要求,一般無須再次加密。

(3)內(nèi)業(yè)初選及外業(yè)定點(diǎn)

像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)初選可利用奧維地圖,按照上述要求進(jìn)行像控點(diǎn)選擇。

打開奧維地圖,在“視圖”菜單下,選中“比例尺網(wǎng)格”,將網(wǎng)格間距設(shè)為100 m左右,即每個(gè)網(wǎng)格代表實(shí)地100 m×100 m。然后根據(jù)選定的像控點(diǎn)間距(150～200 m)在適當(dāng)?shù)奈恢眠x擇像控點(diǎn)點(diǎn)位。

將選中的點(diǎn)位導(dǎo)出“.kml”文件,然后導(dǎo)入手機(jī)奧維地圖進(jìn)行外業(yè)實(shí)地定點(diǎn)。

(4)像控點(diǎn)標(biāo)志

經(jīng)過實(shí)踐比較,采用紅漆在道路上布設(shè)2個(gè)三角形像控點(diǎn)的效果較好,為方便內(nèi)業(yè)刺點(diǎn),可在標(biāo)志旁邊將點(diǎn)號(hào)寫上。

5 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)測量使用RTK,采用強(qiáng)制對(duì)中桿測量像控點(diǎn)中心坐標(biāo),每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行2～3個(gè)測回操作,取平均值作為真值,將控制點(diǎn)精度控制在2 cm以內(nèi)[8-10]。

6 數(shù)據(jù)處理

(1)差分解算

基于飛馬D200航攝系統(tǒng)無人機(jī)管家的智理圖模塊進(jìn)行融合差分全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)解算,得到5個(gè)相機(jī)的精確曝光定位信息。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

POS數(shù)據(jù)為WGS84坐標(biāo),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的在于將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為與控制點(diǎn)在同一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

(3)空三解算

使用ContextCapture軟件,分別將5個(gè)鏡頭的影像和POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入,然后導(dǎo)入像控點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)。

因傾斜攝影影像重疊度較高,同一個(gè)像控點(diǎn)在很多張照片上均能找到,實(shí)際刺點(diǎn)中無需將每張照片都刺上,一般每個(gè)鏡頭選取6張不同拍攝角度的照片進(jìn)行刺點(diǎn)即可。刺點(diǎn)完成后進(jìn)行空中三角測量。

空三結(jié)束后,須查看空三精度。

(4)三維重建

采用ContextCapture軟件進(jìn)行高精度三維模型的生成,模型輸出格式選擇“OSGB”,可用于三維測圖軟件使用。

(5)模型精度檢查

三維重建后,必須對(duì)模型精度進(jìn)行檢查。可將模型導(dǎo)入EPS中,讀取布設(shè)的檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo),與實(shí)測的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

(6)EPS測圖

將模型導(dǎo)入EPS進(jìn)行裸眼測圖,進(jìn)行房屋采集,對(duì)于遮擋區(qū)域則需進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪與補(bǔ)測,完成地籍圖的繪制。

7 實(shí)地驗(yàn)證

以目前正在開展的房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記項(xiàng)目為例。

(1)測區(qū)概況

測區(qū)位于江蘇省徐州市,面積約0.4 km2,房屋較密集,整體較為平整,平均高程約40 m。

(2)坐標(biāo)系統(tǒng)

采用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系,中央子午線117°。

(3)航飛設(shè)計(jì)

采用飛馬D200航攝系統(tǒng)搭載五鏡頭。地面分辨率設(shè)為1.5 cm,航向重疊度為80%,旁向重疊度為78%,根據(jù)式(1),計(jì)算航高為134.6 m。

根據(jù)式(2),可計(jì)算一張像片在飛行方向上(高度方向)覆蓋的距離Sp=60 m,在寬度方向上覆蓋的距離Sq=90 m,一張像片覆蓋的地面面積為5 400 m2。

(4)像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)按照150 m左右的間距布設(shè),盡量布設(shè)在道路上,測區(qū)共布設(shè)24個(gè)像控點(diǎn)(K1～K24),同時(shí)均勻布設(shè)9個(gè)檢查點(diǎn)(J1～J9),具體分布見圖4所示。

圖4 測區(qū)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)布設(shè)圖

(5)空三計(jì)算

首先利用基于無人機(jī)管家的智理圖模塊進(jìn)行融合差分GPS解算,得到5個(gè)相機(jī)的精確曝光定位信息。解算結(jié)果為五組POS數(shù)據(jù)及天線相位中心。

利用ContextCapture軟件進(jìn)行空三處理。分別導(dǎo)入五組鏡頭的影像和POS數(shù)據(jù),導(dǎo)入像控點(diǎn)進(jìn)行空中三角測量。

控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)空三平面精度見表2、表3所示。

表2 控制點(diǎn)空三平面精度

表3 檢查點(diǎn)空三平面精度

(6)三維重建

從表2、表3可以看出,控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)空三中誤差分別為0.008 m和0.024 m,精度較好,可以進(jìn)行三維重建。采用ContextCapture軟件,模型輸出格式選擇“OSGB”,三維重建效果見圖5所示。

圖5 三維重建效果圖

將生成的三維模型導(dǎo)入EPS中,讀取布設(shè)的檢查點(diǎn)的坐標(biāo),與實(shí)測的檢查點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算檢查點(diǎn)坐標(biāo)平面位置中誤差為0.03 m,結(jié)果見表4所示。

表4 三維模型檢查點(diǎn)平面精度

從表4可以看出,三維模型精度較好,可以用來進(jìn)行三維測圖。

(7)三維測圖

將模型導(dǎo)入EPS軟件,利用五點(diǎn)房或者按下鍵盤左邊的CRTL鍵,利用面片的方法來繪制房屋。

(8)成果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證EPS繪制的成果是否滿足房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)發(fā)證測繪精度的要求,在測區(qū)內(nèi)均勻選取25個(gè)房屋界址點(diǎn)(F1～F25),利用全站儀進(jìn)行實(shí)測,將實(shí)測的結(jié)果和EPS繪制的房屋界址點(diǎn)成果進(jìn)行平面坐標(biāo)比對(duì),計(jì)算點(diǎn)位中誤差。選取的25個(gè)房屋界址點(diǎn)分布見圖6所示,點(diǎn)位中誤差為0.037 m,計(jì)算結(jié)果見表5所示。

圖6 房屋界址檢查點(diǎn)分布圖

表5 房屋界址檢查點(diǎn)平面精度

從表5可以看出,EPS繪制的房屋界址點(diǎn)精度能夠滿足房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記測繪5 cm的精度要求。

8 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量應(yīng)用于房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記項(xiàng)目,飛行設(shè)備一般選擇旋翼無人機(jī)加載五鏡頭傾斜相機(jī),差分模式最好采用PPK;地面分辨率應(yīng)優(yōu)于2 cm(實(shí)際工作中一般取1.5～1.6 cm);航向重疊度一般為80%～85%,旁向重疊應(yīng)大于75%;像控點(diǎn)一般150～200 m布設(shè)一個(gè),四周和中間均勻布設(shè);像控點(diǎn)測量應(yīng)使用RTK采用強(qiáng)制對(duì)中桿測量像控點(diǎn)中心坐標(biāo),每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行2～3個(gè)測回操作,取其平均值作為真值,將控制點(diǎn)精度控制在2 cm以內(nèi)。實(shí)踐證明,控制好上述關(guān)鍵點(diǎn),生成的成果完全能夠滿足房地一體農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)登記測繪精度的要求。