利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維地籍測(cè)量

張晶晶 劉偉東 郝卓婭 郝冬冬 包興洶

(1. 自然資源部第一大地測(cè)量隊(duì), 陜西 西安 710054; 2. 陜西隨創(chuàng)互聯(lián)科技有限公司,陜西 寶雞 721000; 3. 杭州九尚科技有限公司, 浙江 杭州 310000)

0 引言

目前,許多研究學(xué)者在提高三維模型精度方面做了很多研究[1],并將其應(yīng)用于各行各業(yè)。丁波[2]分別以四角單點(diǎn)及組點(diǎn)布設(shè)、區(qū)域網(wǎng)周邊均勻布設(shè)、四角點(diǎn)組區(qū)域網(wǎng)周邊均勻布設(shè)、區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)、區(qū)域網(wǎng)均勻布設(shè)四角點(diǎn)組布設(shè)等6種控制點(diǎn)參與空三解算,分析不同控制點(diǎn)布設(shè)方法對(duì)模型精度的影響。王云川等[3]通過(guò)灰度拉伸及直方圖均衡化方法進(jìn)行影像勻光處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠使得三維模型的紋理細(xì)節(jié)更顯著,色調(diào)更均勻,完整性更強(qiáng)。原明超等[4]、張雪蓮[5]、馬廷超[6]、李鑫龍等[7]將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大比例尺地形圖中。鄭史芳等[8]將其應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)中,結(jié)果表明,該技術(shù)可以減少人工實(shí)地勘察的工作量,提高工作效率,為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)預(yù)警提供有力的依據(jù)。柯生學(xué)[9]、解文武[10]、趙波等[11]將其應(yīng)用于礦山測(cè)量及礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)中。

本文將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村地籍測(cè)量中,描述了三種傾斜影像空中三角測(cè)量的方法。通過(guò)在安徽省阜陽(yáng)市某村的3個(gè)三維模型上獲取的20個(gè)同名界址點(diǎn)的精度,驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地籍測(cè)量中的可行性。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行地籍測(cè)量的技術(shù)方法

本文將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地籍測(cè)量的方法可分為三個(gè)步驟:像控點(diǎn)測(cè)量與傾斜影像采集，實(shí)景三維模型構(gòu)建，內(nèi)業(yè)地籍?dāng)?shù)據(jù)采集。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地籍測(cè)量的流程圖

1.1 像控點(diǎn)測(cè)量及傾斜影像采集

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是在無(wú)人機(jī)上搭載多臺(tái)不同角度的航攝儀,通過(guò)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)獲得相機(jī)拍攝瞬間的位置與姿態(tài)。影像采集前需設(shè)定好航高、航飛路線、影像重疊度(通常,航向重疊度為80%,旁向重疊度為60%)等參數(shù)。航飛過(guò)程中,在建筑物密集區(qū),為減少建筑物遮擋導(dǎo)致后續(xù)三維模型中建筑物粘連的情況[12],航向重疊度可達(dá)到90%。

像片控制點(diǎn)測(cè)量是根據(jù)技術(shù)要求提前在地面布設(shè)地標(biāo)點(diǎn),使用RTK技術(shù)得到地標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo),其將參與空中三角測(cè)量解算[13]。因此,控制點(diǎn)的質(zhì)量直接影響到三維模型及測(cè)圖的精度。高質(zhì)量的像控點(diǎn)的測(cè)量需要注意以下2點(diǎn):(1)應(yīng)結(jié)合整個(gè)測(cè)區(qū)情況均勻布設(shè)在沒(méi)有遮擋物的空曠地面上,并盡量滿足6度重疊;(2)測(cè)量時(shí),要對(duì)同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量,取平均值作為測(cè)量結(jié)果。

1.2 構(gòu)建實(shí)景三維模型

利用Smart3d軟件構(gòu)建實(shí)景三維模型的過(guò)程可以分為5個(gè)部分[14]:傾斜影像空三加密、多視影像密集匹配、格網(wǎng)構(gòu)建、三維白膜構(gòu)建、紋理映射及修膜。其中最為關(guān)鍵的一步是空中三角測(cè)量,其結(jié)果直接影響模型的精度。

本文采用以下兩種方法提高傾斜影像空中三角測(cè)量的精度:(1)首先將不同角度的相機(jī)影像分為不同塊,分別進(jìn)行空三處理;然后合并所有塊并編輯;最后再次進(jìn)行空三處理。(2)先整體進(jìn)行一次空三處理,將空三結(jié)果導(dǎo)出,用其更新影像的位置與姿態(tài)(Position and Orientation System,POS)數(shù)據(jù),重新進(jìn)行空三處理(本文稱該方法為“再空三法”)。

1.3 內(nèi)業(yè)地籍?dāng)?shù)據(jù)采集

EPS三維測(cè)圖軟件可以將已有的實(shí)景三維模型成果(osgb格式)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部使用的.dsm格式并導(dǎo)入,在二三維聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行地物采集,獲取矢量數(shù)據(jù)。如通過(guò)五點(diǎn)房交會(huì)法或線劃法繪制房屋,并錄入房屋的樓層數(shù)、結(jié)構(gòu)等屬性信息。在內(nèi)業(yè)編輯過(guò)程中,對(duì)于三維模型中地物變形、無(wú)法判讀或判讀不準(zhǔn)確、地形復(fù)雜的區(qū)域,以及屬性信息不明確的地籍要素做好記錄,需進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)及實(shí)地調(diào)繪。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)概況與結(jié)果

本文以安徽省某村莊的地籍調(diào)查項(xiàng)目為例,研究無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地籍測(cè)量中的應(yīng)用,并驗(yàn)證成果精度,討論提高模型精度的方法。針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的面積(約140 000 m2)、地形情況及房屋結(jié)構(gòu),項(xiàng)目航高設(shè)為100 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為60%,航線彎曲度不大于 3%,均勻布設(shè)35個(gè)控制點(diǎn)。項(xiàng)目利用RTK技術(shù)獲取控制點(diǎn)的平面與高程坐標(biāo),使用紅鵬小金牛無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜影像采集,共拍攝3 740張影像。

得到傾斜影像后,利用Smart3d軟件通過(guò)傾斜影像空三加密、多視影像密集匹配等步驟建立實(shí)景三維模型。為驗(yàn)證本文所述提高模型精度的方法,項(xiàng)目進(jìn)行了3次空三加密:(1)將所有原始影像作為一個(gè)整體,進(jìn)行空三解算;(2)將每個(gè)相機(jī)的像片即地物的不同視角影像分別作為區(qū)塊,單獨(dú)進(jìn)行空三解算,然后合并所有區(qū)塊并運(yùn)用區(qū)域網(wǎng)平差模型進(jìn)行解算;(3)利用(1)得到的空三結(jié)果,更新影像的POS數(shù)據(jù),再次建立工程進(jìn)行空三處理(再空三法)。利用三次加密得到的結(jié)果,分別進(jìn)行密集匹配等過(guò)程構(gòu)建模型,如圖2所示。

圖2 三維模型成果圖

利用EPS測(cè)圖軟件進(jìn)行三維測(cè)圖,并經(jīng)過(guò)外業(yè)核實(shí)調(diào)查,對(duì)內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充完善,最終成果圖如圖3所示,圖中“李佰穩(wěn)”為宗地權(quán)利人姓名;“混”表示房屋為1層混合建筑;110.8 m2表示宗地面積;J1、J2…J6表示界址點(diǎn)編號(hào);14.72 m等表示兩個(gè)界址點(diǎn)之間的距離;072表示農(nóng)村宅基地;JC00165表示宗地編號(hào)。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)三維采集數(shù)據(jù)局部圖

檢測(cè)界址點(diǎn)精度是評(píng)定地籍圖質(zhì)量的重要步驟,本文均勻選取實(shí)驗(yàn)區(qū)中20個(gè)界址點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn),分別統(tǒng)計(jì)其內(nèi)業(yè)采集點(diǎn)的坐標(biāo)與外業(yè)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)的誤差。為驗(yàn)證本文所述提高模型精度的辦法,分別將三次空三得到的模型表示為模型1、模型2及模型3,檢測(cè)點(diǎn)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示,其中ΔSm1、ΔSm2、ΔSm3分別表示選擇的20個(gè)界址點(diǎn)在三個(gè)模型上的中誤差,單位為m?！兜丶{(diào)查規(guī)程》(TD/T 1001—2012)中對(duì)1∶500比例尺地籍圖界址點(diǎn)的精度要求如表2所示。圖4為檢測(cè)點(diǎn)在不同模型上的誤差分布圖。

表1 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的1∶500地籍圖平面精度檢測(cè)表 單位：m

表2 界址點(diǎn)精度 單位：m

圖4 檢測(cè)點(diǎn)在不同模型上的誤差分布圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表1中可知,模型1中檢測(cè)點(diǎn)滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》中一級(jí)界址點(diǎn)精度的有10個(gè),滿足二級(jí)精度的有10個(gè);模型2中檢測(cè)點(diǎn)滿足一級(jí)精度的有14個(gè),滿足二級(jí)精度的有6個(gè);模型3中檢測(cè)點(diǎn)滿足一級(jí)界址點(diǎn)精度的有17個(gè),滿足二級(jí)精度的有3個(gè)。由此可知,使用三種空三處理的方法,皆可滿足1∶500比例尺地籍測(cè)圖的二級(jí)精度要求。但模型3中,滿足一級(jí)精度的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量明顯增多,表明使用再空三法能夠提升三維模型的精度,進(jìn)而提高三維測(cè)圖數(shù)據(jù)的精度。

由圖4可知,模型1中檢測(cè)點(diǎn)中誤差最大的為0.078 m,最小的為0.023 m;模型2中檢測(cè)點(diǎn)中誤差最大的為0.067 m,最小的為0.026 m;模型3中檢測(cè)點(diǎn)中誤差最大的為0.066 m,最小的為0.023 m。表明模型1和模型2中檢測(cè)點(diǎn)的精度雖都滿足二級(jí)精度要求,但起伏較大,說(shuō)明三維模型精度的穩(wěn)定性相對(duì)較差。模型3中檢測(cè)點(diǎn)精度起伏較小,表明三維模型精度較平穩(wěn),進(jìn)而表明使用再空三法提高了三維模型精度的穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵倏杖ㄊ褂玫谝淮慰杖幚淼慕Y(jié)果更新了影像的POS數(shù)據(jù),等同于將影像的位姿信息進(jìn)行一次優(yōu)化,使得影像的位姿信息更接近于正確值,則使用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密處理,會(huì)在一定程度上提高處理精度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行地籍測(cè)量的技術(shù),描述了三種傾斜影像空三處理的方法。以安徽省某村為例,利用紅鵬小金牛無(wú)人機(jī)獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)3 740張傾斜影像,用Smart3d軟件構(gòu)建實(shí)景三維模型,運(yùn)用EPS測(cè)圖軟件采集內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。均勻選取20個(gè)界址點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn),評(píng)定測(cè)圖精度。結(jié)果表明,三種空三處理方法都能夠滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》中二級(jí)界址點(diǎn)的精度要求。其中,再空三法滿足一級(jí)界址點(diǎn)精度的數(shù)量增多,表明該方法能夠在一定程度上提高傾斜影像空三處理的精度,進(jìn)而提高實(shí)景三維模型的精度與穩(wěn)定性。進(jìn)行一次傾斜影像的空三處理需要花費(fèi)較多時(shí)間,所以本文建議,在初次空三處理不理想的情況下,可以使用再空三方法,以免耽擱項(xiàng)目的進(jìn)度,增加成本。