無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測繪項目中的應(yīng)用

賈秋英

（中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710000）

傳統(tǒng)的地籍測繪采用全站儀、GPS-RTK 等設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，效率低、費時費力、成本高，已不能滿足當今社會對其現(xiàn)勢性的需求[1]。無人機航空攝影的出現(xiàn)，改變了大比例尺地形圖測繪的方式，但是其精度達不到地籍測繪精度需求。傾斜攝影可以獲取建構(gòu)筑物多個角度的紋理信息，在空三加密環(huán)節(jié)，增加了更多的約束條件，使其精度有了很大的提升[2]。本文從傾斜攝影技術(shù)入手，對傾斜攝影測量技術(shù)、傾斜攝影系統(tǒng)的組成、傾斜攝影建模流程進行簡單說明，并以實際生產(chǎn)項目為例，對外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程進行了詳細介紹，并對生產(chǎn)的地籍圖精度進行了檢測，結(jié)果表明，本文的方法生產(chǎn)的地籍圖滿足地籍二級精度需求。

1 無人機傾斜攝影

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量是指在低空無人機上，掛載多鏡頭航攝儀，從多個角度對地面進行拍攝，獲取盲區(qū)少、重疊度高的多角度影像[3]。一般掛載的都是非量測數(shù)碼相機，獲取影像存在畸變大的問題，一般在數(shù)據(jù)處理時，都需要對影像進行畸變糾正。在數(shù)據(jù)處理時，依據(jù)攝影關(guān)系和像控點，恢復影像地物上彼此之間的關(guān)系，用于測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)以及測量。

1.2 無人機傾斜攝影系統(tǒng)組成

無人機傾斜攝影系統(tǒng)組成主要有飛行平臺、傾斜航攝儀、電腦硬件和數(shù)據(jù)解算軟件。飛行平臺主要是指能夠低空飛行，能夠獲得超高分辨率的原始影像數(shù)據(jù)。傾斜航攝儀是指可以掛在多鏡頭航攝儀，完成對地面影像全方位、多角度、少盲區(qū)的影像采集。電腦硬件主要是指建模對電腦硬件要求高，需要大內(nèi)存、高主頻、圖形渲染超強的顯卡。數(shù)據(jù)解算軟件是指傾斜攝影建模軟件，常見的有Photoscan、PIX4D、Smart3D2019、Context Capture 等，本次實驗使用Context Capture 進行。

1.3 無人機傾斜攝影建模

利用傾斜攝影建模軟件，將航拍影像轉(zhuǎn)為實景三維模型的過程。在軟件運行過程中，主要涉及空中三角測量、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)優(yōu)化與構(gòu)建等。在整個作業(yè)過程中，具體包括飛前準備、外業(yè)數(shù)據(jù)獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、精度檢測等，具體流程見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影建模流程圖

2 實例驗證

2.1 測區(qū)概況

本次為某農(nóng)村地籍圖測繪項目，測區(qū)房屋較多且密集，傳統(tǒng)作業(yè)方式難度大且效率低。采用無人機傾斜攝影技術(shù)完成測區(qū)地籍圖項目的生產(chǎn)。結(jié)合地形和地籍圖精度要求，選用多旋翼無人機，搭載5 鏡頭相機，地面采樣分辨率設(shè)置為0.015 米，航向、旁向重疊度均設(shè)置為85%，航高80 米，測區(qū)非禁飛區(qū)，屬于空域開放區(qū)域。選擇某一晴天，上午十點到下午兩點之間進行航飛，航飛2 架次，獲得有效影像數(shù)12250 張。測區(qū)面積約1km2，按照200 米間距均勻布設(shè)并采集像控點30 個，采集檢測點15 個。

2.2 相關(guān)軟件介紹

本次實驗內(nèi)業(yè)用到的軟件主要有Bentley 公司的Context Capture 實景三維模型生產(chǎn)軟件，北京清華三維的EPS地籍測繪軟件。

2.2.1 Context Capture 軟件。是目前實景三維模型生產(chǎn)的主流軟件，具有高效率、可集群作業(yè)、生產(chǎn)的模型質(zhì)量高、精度高等特點，是目前建模軟件中用戶群體最多的一款軟件。該軟件版本更新速度快，各模塊功能較完善。

2.2.2 EPS軟件。是一款綜合地理信息工作站軟件，具有模塊較多，基本上涵蓋地理信息各個行業(yè)的應(yīng)用，可根據(jù)客戶需求定制開發(fā)，本次主要使用其三維測圖模塊完成地籍圖的采集與編輯。

2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要包括影像數(shù)據(jù)采集前的測區(qū)勘查、空域申請、已有資料收集、航線規(guī)劃、影像數(shù)據(jù)采集和像控點采集。

2.3.1 測區(qū)勘查。主要是對任務(wù)區(qū)的地形進行勘查，對當?shù)氐娜饲轱L俗進行了解，便于后期工作的展開。

2.3.2 空域申請。如果測區(qū)是禁飛區(qū)或者空域監(jiān)管區(qū)，需要按照空域申請流程進行航飛攝影空域申請，在未獲得批準前，不得違規(guī)飛行，以免帶來某些意外。在獲得空域批準后，需根據(jù)批準文件里要求的時間、地點和范圍進行航飛作業(yè)。本次測區(qū)為空域開放區(qū)，因此在航飛時未進行空域申請。

2.3.3 已有資料收集。主要收集測區(qū)已有的測繪產(chǎn)品成果，本次收集到了測區(qū)已有的數(shù)字正射影像圖，可作為工作底圖；收集到周邊已有的高精度埋石點，可作為GPS-RTK精度檢核的已知點。

2.3.4 航線規(guī)劃。利用地面站軟件設(shè)置航向、旁向重疊度為85%，地面采樣分辨率為0.015 米，提交任務(wù)，無人機按照設(shè)置好的參數(shù)進行航攝作業(yè)。

2.3.5 影像數(shù)據(jù)采集。主要是按照規(guī)劃好的航線執(zhí)行，但是需要在地面站上時刻觀察飛機飛行狀態(tài)和影像采集狀態(tài)，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失、偏離航線等問題。在正式起飛采集影像前，需在地面對相機拍照進行檢測，確保相機正常拍照，內(nèi)存卡正常存儲影像數(shù)據(jù)。

2.3.6 像控點采集。首先按照200 米間距，結(jié)合測區(qū)形狀均勻布設(shè)30 個像控點，然后利用紅色油漆對像控點點位進行噴涂，這里需要注意的是，影像數(shù)據(jù)采集前就需要完成像控點點位的噴涂。利用GPS-RTK對已知的埋石點進行采集，然后和已有準確的坐標進行比對，誤差在2 公分內(nèi)即可。在檢核儀器后，對噴涂好的像控點點位進行坐標采集，每個點位至少采集三次，三次較差在2 公分之內(nèi)，需要等到固定解狀態(tài)下進行采集，在采集的時候，通過多個角度對像控點點位進行拍照。采集完成后，對像控點進行平均值計算，對采集的影像按像控點進行整理。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.4.1 數(shù)據(jù)預處理。只要是刪除2 架次的無效影像和POS，整理POS數(shù)據(jù)，刪除無用的參數(shù)，只保留相機曝光時的經(jīng)緯度坐標值和高程值。無人機由于姿態(tài)較差，引入姿態(tài)可能對后續(xù)空三解算帶來不便，因此這里對姿態(tài)角也進行刪除，利用軟件空中三角測量解算，來計算每張影像的空間位置和姿態(tài)。利用EPT軟件，對原始影像進行勻色處理，提高影像的質(zhì)量。利用重命名軟件對2 架次影像進行重命名，確保2 架次影像無重名。更改POS的點號名，使之與影像一一對應(yīng)，確?？梢淮涡砸隤OS數(shù)據(jù)。

2.4.2 空中三角測量。由于傾斜攝影依據(jù)的也是共線方程，但是共線方程是以垂直地面攝影理論來計算的，加上側(cè)視相機本來存在影像變形嚴重的問題，空三算法并不能對傾斜數(shù)據(jù)進行有效解算。為了提升傾斜影像空中三角測量解算的成功率，首先利用少量影像進行空中三角測量，得到5 個相機精確地相機參數(shù)，然后將得到的參數(shù)應(yīng)用到所有影像解算中來，這樣可以提高空中三角測量的解算成功率。本次實驗，利用5 組鏡頭共240 張影像對5 個鏡頭相機參數(shù)進行解算，得到5 個鏡頭精確地相機參數(shù)，然后進行整體空中三角測量?？杖嬎阃瓿珊?，通過人機交互的方式查看空三成果無分層，無彎曲等問題?？杖龍蟾嬷酗@示加密點中誤差為0.39 個像素，加密點重投影中誤差為0.46 個像素，成果精度符合要求，自由網(wǎng)空三解算合格。

設(shè)置坐標系，導入30 個像控點，對30 個像控點全部進行轉(zhuǎn)刺。本次使用的Context Capture 軟件版本較新，支持在轉(zhuǎn)刺過程中實時計算像控點位置。通過對一個點轉(zhuǎn)刺3 張照片，可快速計算剩余照片的精準點位，有效提升了像控點轉(zhuǎn)刺的效率。在完成像控點的轉(zhuǎn)刺后，再次提交空三任務(wù)，連接點選擇保持，完成帶像控點的平差調(diào)整。通過平差后的空三報告，查看像控點的精度，平面位置中誤差為0.008 米，高程中誤差為0.006 米，像控點精度符合項目需求規(guī)范。

2.4.3 三維模型生產(chǎn)。實驗電腦內(nèi)存為64G，為了提高建模效率且保證不出現(xiàn)內(nèi)存不夠的情況，這里設(shè)置建模使用內(nèi)存為電腦內(nèi)存的一半，按照平面格網(wǎng)劃分瓦片。瓦片大小為100 米，預計使用內(nèi)存31G，模型輸出分辨率設(shè)置為0.015 米，設(shè)置輸出模型格式為OSGB，提交建模任務(wù)，計算機自動完成實景三維模型的生產(chǎn)。在三維模型生產(chǎn)完成后，提交正射影像輸出任務(wù)，得到數(shù)字真正射影像產(chǎn)品。

2.4.4 地籍圖采集。在清華三維EPS軟件中，在三維測圖模塊下，對OSGB格式的模型進行轉(zhuǎn)換并加載，然后加載正射影像。這里主要以實景三維模型和數(shù)字真正射影像為參考，進行地籍圖的采集。在采集無屋檐的房屋時，利用真正射影像直接采集；在采集需做屋檐改正的房屋時，利用實景三維模型，在建構(gòu)筑物的主體結(jié)構(gòu)上進行采集，直接對屋檐進行了改正。在采集道路上時，可利用正射影像為底圖，直接在正射影像上進行道路采集。對門墩、圍墻等按照地形圖要求進行采集。在采集完成后，對由于模型問題內(nèi)業(yè)未采集的，可通過外業(yè)進行補充采集，確保最后地籍圖成果完整可用。

3 精度檢測與評定

對15 個檢測點，按照同精度中誤差計算公式進行計算，得到15 個點的平面位置中誤差為0.053 米，高程中誤差為0.046 米，地籍圖規(guī)范要求一級地籍精度5 公分，二級地籍精度10 公分，三級地籍精度15 公分，本次實驗精度符合地籍二級精度要求，可作為地籍測繪項目生產(chǎn)的一種作業(yè)方式。15 個檢測點的具體平面位置較差和高程位置較差見表1。

表1 檢測點位置較差統(tǒng)計表

4 結(jié)論

本文首先對傾斜攝影測量做一簡單介紹，并以實際生產(chǎn)項目為例，通過對外業(yè)數(shù)據(jù)獲取，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理內(nèi)容進行說明。并使用GPS-RTK采集的像控點對采集的地籍圖精度進行檢測，并按照同精度中誤差計算檢測點的中誤差。檢測結(jié)果表明，按照本文生產(chǎn)的地籍圖，精度可以滿足地籍精度需求，為地籍圖生產(chǎn)的作業(yè)人員提供了一種新的作業(yè)思路，提升了地籍圖測繪的效率，有助于確保地籍圖生產(chǎn)按時按點完成。