無人機傾斜攝影技術在新疆權籍調查中的應用

0 引 言

根據(jù)自然資源部自然資源確權登記局關于進一步做好農村不動產確權登記工作的通知和政府工作要求，這兩年各地先后開展不動產確權登記工作。新疆某地區(qū)結合實際情況，開展轄區(qū)地上附著房屋等建筑物、構筑物集體土地權籍調查工作，同時將權籍信息、不動產登記、紙質化檔案等疊加整合完成數(shù)據(jù)建庫、發(fā)證等工作。新疆某地區(qū)權籍調查項目，借助傳統(tǒng)的全站儀+GPS-RTK的野外測繪方法存在作業(yè)周期長、外業(yè)工作量大、入戶難、成本投入高等劣勢，不能很好滿足項目需求。近年來，隨著我國無人機技術快速發(fā)展，高精度差分POS系統(tǒng)逐漸成熟及后期三維建模軟件自動化程度和精度[1]越來越高，以多旋翼或垂直起降固定翼無人機搭載傾斜相機為主的無人機傾斜攝影技術應用越來越廣泛。

傾斜攝影技術特點主要是通過在同一飛行平臺上集成垂直和傾斜多角度的傳感器、高精度POS系統(tǒng)等來一次獲取多方位的大重疊高清影像。相比傳統(tǒng)航空攝影，傾斜攝影具有起降靈活，不受場地限制、成本較低、自動化程度高、數(shù)據(jù)精度高、成果類型豐富、生產周期短等特點。這些年許多學者在三維建模優(yōu)化和應用方面進行了研究。樊攀峰等[2]在提高傾斜攝影三維建?？杖晒β噬线M行了改善，譚仁春等[3]在修復三維模型質量上進行了研究，徐思奇、曾艷、張偉、張德成等在傾斜攝影大比例尺測圖應用改進方面進行了研究[4-7]。隨著傾斜攝影高效性和建模精度越來越高，應用于不動產測繪領域優(yōu)勢顯現(xiàn)[8-10]。本文主要提出利用無人機傾斜攝影技術規(guī)?；_展權籍調查，驗證技術路線的可行性，并且成果精度完全滿足1∶500測圖精度指標[11]，同時針對在傾斜攝影三維建模中遇到的幾個問題進行探討，并給出優(yōu)化方案。

1 傾斜攝影測量權籍測圖技術流程

新疆某地權籍調查項目主要應用傾斜攝影測量技術，包括航攝規(guī)劃、像控布設、數(shù)據(jù)獲取、三維建模、EPS三維測圖、外業(yè)調繪補測與精度檢測等環(huán)節(jié)（圖1）。

圖1 傾斜攝影測量權籍測圖技術流程Fig.1 Technical process of oblique photogrammetry cadastral mapping

1.1 航攝規(guī)劃

在收集完測區(qū)資料和實地踏勘后，要根據(jù)測區(qū)地形、人工建筑等情況確定飛行平臺和傳感器、航攝參數(shù)，規(guī)劃航線。為了保證權籍調查圖精度，三維模型的精度也要盡可能提高，設計階段可通過降低飛行航高提高航攝分辨率和模型精度。航攝分辨率設置在2 cm左右，航向重疊和旁向重疊設置在70%～80%。在測區(qū)邊界處一般旁向至少外擴3條航線、航向增加3條基線，以滿足測區(qū)邊界處模型的建模效果。

1.2 像控布設

像控點布設[12]是提高傾斜攝影建模精度和將模型轉換到CGCS2000坐標系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，像控點的布設密度和測量精度都直接影響后期空三加密精度。為了提高像控點精度，一般選擇先布設像控點后航飛、加大像控點布設密度的方案。根據(jù)設計航線和測區(qū)地形，提前在測區(qū)范圍內每隔150～200 m左右均勻布設L型靶標。點位盡量選在地勢平坦、視野開闊、圖上易于識別、不易破壞處。布設時在硬化地面可直接刷涂L型白色漆標；在土質松軟、易被破壞的地方可以布設L型灰標。另外注意L型外角要刷尖刷直，利于內業(yè)提高刺點精度。

1.3 數(shù)據(jù)獲取

航攝時間一般選擇在10:00—15:00，光線條件好，目標陰影小，獲取的影像清晰。像控點測量時一般采用CORS網絡RTK方式獲取坐標，每個點位至少獲取3次觀測數(shù)據(jù)，取平均值。

1.4 三維建模

數(shù)據(jù)獲取后，首先對影像和POS數(shù)據(jù)進行檢查，一一對應后剔除影像不清晰或姿態(tài)不好的數(shù)據(jù)和照片；然后將數(shù)據(jù)導入Smart3D等建模軟件，建立好工程后進行自由網平差，剔除粗差后對每個視角的影像進行像控點刺點，盡量保證每個視角都刺有控制點。刺點完成后，通過聯(lián)合平差和多視影像匹配技術完成空三加密，生成高精度的密集點云和三角網，通過紋理映射方式最終生成三維模型或者DSM、DOM、DEM等產品。三維模型的精度可通過空三精度報告中檢查點精度初步進行判斷檢查。

1.5 EPS三維測圖

將生成的三維模型成果導入清華山維EPS三維測圖軟件，先進行格式轉換，將.osgb轉換為.dsm格式，然后加載三維模型成果的.xml文件即可直接裸眼在三維模型上進行矢量采集，還可以二維模型、三維模型聯(lián)動采集，完成1∶500權籍圖測圖。

1.6 外業(yè)調繪補測與精度檢測

內業(yè)采集完成后，對于模型遮擋無法采集或者判讀不準的地方安排外業(yè)調繪與補測，并對權籍圖更新。根據(jù)《地籍調查規(guī)程》要求，測圖完成后，需要對權籍圖界址點矢量精度進行外業(yè)檢測，界址點中誤差公式為：

式中，M為界址點中誤差；△Xi、△Yi分別為界址點與真值在X、Y方向上的較差；n為樣本數(shù)。

規(guī)程要求，界址點相對于相鄰地物的點位中誤差不超過5 cm，限差不超過10 cm。利用全站儀外業(yè)實地隨機測量一定量房角點、墻角點等界址點，與圖上目標點位進行對比，統(tǒng)計中誤差驗證精度是否符合要求。

2 傾斜攝影三維建模技術方案優(yōu)化

2.1 大數(shù)據(jù)量下提高三維建模效率

外業(yè)處理大量數(shù)據(jù)條件有限，如何提高傾斜三維建模效率問題，建議主要從硬件和軟件兩方面優(yōu)化。硬件方面，由于三維建模效率受多種硬件環(huán)境影響，選擇建模的電腦主板顯卡內存等需要均衡配置。空三主控機主頻盡可能高，內存一般建議選擇64G或128G，保證空三加密時內存不會溢出。顯卡建議至少選NVIDIA GTX系列，多節(jié)點并行，提高后期建模圖形處理能力?？杖用茈A段，圖形處理比較占用內存，存放數(shù)據(jù)硬盤建議選用固態(tài)硬盤，并且工程和建模緩存分盤符存放更有利于數(shù)據(jù)交換，可以提高建模時讀取速度。

軟件操作方面，刺像控點是三維建模中人工干預多，費時費力的環(huán)節(jié)。由于每一個像控點5個鏡頭都要刺點，每個鏡頭至少刺3～5張，為了提高工作效率，可將刺點任務分塊，多人同時刺點，完成后再合并為一個工程。還可同時進行兩個工程，刺點和后期建模任務交替進行，互不影響，提高計算機效率。后期三維建模瓦片分塊時，瓦片大小盡可能設置較大，一般瓦片大小取計算機內存的三分之二，這樣分塊數(shù)少可以發(fā)揮計算機最大效率，也可以提高建模效率。

2.2 空三加密分塊優(yōu)化

一般影像超過3萬張以上，直接整體空三加密，內存容易溢出，造成空三運算最后階段經常失敗報錯，影響效率。這種情況可以將整個測區(qū)進行分塊，經過實驗每塊數(shù)據(jù)量最好不超過3萬張，如8萬張影像，可以分成3塊，分塊之間必須有影像重疊和像控點重疊區(qū)域。3塊同時進行空三運算和刺點，完成后待空三精度驗證合格再將3塊合并到一起整體進行三維建?？商岣呓Ｐ?。

2.3 像控測量精度優(yōu)化

由于新疆沙塵暴頻發(fā)，對RTK接收CORS站GPS信號有一定影響，接收衛(wèi)星信號難以固定，個別控制點坐標可能會出現(xiàn)漂移。在檢查空三精度報告時，可以發(fā)現(xiàn)個別檢查點精度有明顯偏差。優(yōu)化方式可采取在每個小測區(qū)自架基站方式，降低信號因素影響。首先在內業(yè)檢查中標注空三報告里精度異常的檢查點；然后對周圍的控制點篩查，排查出異常點坐標，對異?？刂泣c進行補測；最后在空三刺點成果中直接替換補測點坐標，不需再重新刺點，直接再次進行空三運算即可更新空三精度。

3 實驗與精度分析

3.1 實驗區(qū)概況

選取新疆測區(qū)0.79 km2作為實驗測區(qū)，地形以平原、沙丘為主。航攝分辨率1.5 cm，航高96 m。采用飛馬多旋翼無人機D200，搭載飛馬D-OP300傾斜相機低空航飛獲取數(shù)據(jù)，每個架次飛行30～40 min左右，每天可飛行5架次。飛行平臺和相機具體參數(shù)見表1。

表1 飛行平臺和相機參數(shù)Tab.1 Parameters of flight platforms and cameras

為保證控制精度，加密像控點布設間隔，每隔150 m左右布設一個控制點，共均勻布設46個控制點，16個檢查點。

3.2 三維模型成果與EPS三維測圖成果

傾斜航攝共獲取22 425張相片，主機單機空三加密用時13 h，三維建模階段6節(jié)點集群網絡處理耗時45 h。三維建模成果如圖2所示。

圖2 三維模型成果Fig.2 3D model results

三維模型成果導入EPS轉換格式后可直接裸眼在三維模型上采集權籍圖，房屋層數(shù)及附屬設施等屬性均可內業(yè)判讀，減少了大部分外業(yè)工作量。1 km2由3名內業(yè)人員采集、整飾3天基本完成，成果如圖3所示。

圖3 EPS三維測圖成果Fig.3 EPS 3D mapping results

3.3 精度評定

1）模型精度評定。為了驗證三維模型建模精度，利用測區(qū)內16個均勻布設的檢查點作為模型絕對精度檢測點，對三維模型精度進行評價，并與46個控制點精度進行對比。由表2可見，控制點平面方向和高程方向最大誤差均不超過1 cm，平面中誤差為0.004 7 m，高程中誤差為0.001 2 m，檢查點平面誤差和高程誤差均不超過5 cm，三維模型滿足精度要求。

表2 空三加密精度統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of encryption accuracy of aerial triangulation

2）測圖成果精度評定。為驗證權籍圖成果精度，通過在測區(qū)均勻選取房角點、拐點、墻角點等界址點，利用全站儀多次觀測取平均值的方法獲得界址點最終坐標值，并與權籍圖上坐標進行精度對比來檢測矢量精度。外業(yè)共檢測界址點285個，經統(tǒng)計結果對比得出，實測界址點相對于圖上坐標平面最大誤差為0.048 m，點位中誤差為0.027 m，均小于《地籍調查規(guī)程》規(guī)定誤差值，滿足對相鄰點中誤差和限差的精度要求。

為了進一步驗證相鄰界址點間距精度，外業(yè)均勻隨機挑選房屋20幢，丈量房屋實際邊長20條，與圖上量取長度進行比較。由表3可見，房屋邊長最大較差為4 cm，中誤差為2.19 cm，房屋邊長（即相鄰界址點間距）滿足《城市測量規(guī)范》中相鄰界址點精度要求。

表3 外業(yè)檢測房屋邊長精度統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of side length accuracy of field inspection houses

4 結 論

無人機傾斜攝影技術規(guī)?；瘧糜跈嗉{查，通過精度分析驗證可行性和精度可靠性。相較于傳統(tǒng)權籍測繪方法，大大減少外業(yè)測量和入戶調查的工作量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、編輯、入庫一體化操作，極大提高作業(yè)效率。另外，在三維建模方案中通過優(yōu)化軟硬件設置、空三加密分塊和像控點測量等方法，提高了三維建模效率和精度質量，為后續(xù)傾斜攝影技術方法改進和進一步推廣應用提供了借鑒和參考。