基于無人機(jī)技術(shù)的不動產(chǎn)測繪應(yīng)用研究

張 鈴

（福建省地圖出版社有限責(zé)任公司，福建 福州 350001）

0 引言

不動產(chǎn)測繪指的是對一定范圍內(nèi)的房產(chǎn)狀況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查的主要內(nèi)容包括不動產(chǎn)的實際狀態(tài)、具體位置、實際用途以及房產(chǎn)大小等。傳統(tǒng)的不動產(chǎn)測繪方式主要依靠人工在實地進(jìn)行測量。這種工作模式不僅效率較低，且獲取的數(shù)據(jù)是二維模式，無法做到對不動產(chǎn)的全面、立體測繪。而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種全新的三維立體測量技術(shù)，實現(xiàn)了人機(jī)交互技術(shù)和切斜攝影技術(shù)的有機(jī)融合，利用無人機(jī)飛行平臺上所攜帶的各種傳感器，從垂直、傾斜等多個不同的角度來對不動產(chǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，并以采集得到的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)繪制出三維立體模型，結(jié)合正交圖采集方法，可以生成真實、直觀的三維坐標(biāo)地形模型，突破了傳統(tǒng)不動產(chǎn)測繪中只能由垂直角度進(jìn)行測量的瓶頸，完美解決了傳統(tǒng)測繪模式效率低下、質(zhì)量不高的問題。由此可以看出，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的不動產(chǎn)測繪能夠從水平、垂直等多個不同的角度來采集數(shù)據(jù)信息，具有測繪效率高、精準(zhǔn)度高以及作業(yè)成本低等很多優(yōu)點。

1 構(gòu)建不動產(chǎn)測繪模型

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立起不動產(chǎn)測繪模型，通過對圖像控制點和路徑的規(guī)劃來獲取不動產(chǎn)的多視角圖像，然后通過對采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理得出不動產(chǎn)的三維空間模型，生成真實的無線電圖像，并采用專業(yè)的軟件程序來對三維模型進(jìn)行編輯和處理，模型具體的處理流程如圖1所示。

圖1 模型數(shù)據(jù)處理流程

此外，在采用無人機(jī)進(jìn)行測繪任務(wù)之前，還應(yīng)對測定范圍內(nèi)的氣候條件、交通狀況和建筑高度等能夠?qū)o人機(jī)飛行產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行統(tǒng)計和分析，做到結(jié)合實際情況來制定出具體的飛行任務(wù)[1]。通常來講，無人機(jī)的飛行時間在上午9點至下午4點之間最佳，而圖像控制點的數(shù)量以及具體分布則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況、無人機(jī)的飛行高度以及具體的飛行計劃來確定。而在實際的測繪過程中，對像素點的布控應(yīng)結(jié)合測繪任務(wù)的實際條件來進(jìn)行靈活調(diào)整，以便獲得精準(zhǔn)的測繪數(shù)據(jù)。

2 測控點數(shù)據(jù)采集與檢查

采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對不動產(chǎn)進(jìn)行測繪之前應(yīng)先做好工作內(nèi)容規(guī)劃，主要包括對測繪區(qū)域的航線進(jìn)行規(guī)劃、測繪區(qū)域天氣狀態(tài)查詢、不動產(chǎn)基礎(chǔ)信息收集以及確定數(shù)據(jù)控制點監(jiān)測裝置等。

航向是采用無人機(jī)進(jìn)行測繪的一項關(guān)鍵內(nèi)容。由于無人機(jī)具備一定的智能化水平，因此在進(jìn)行航向選擇方面只需確定合適的地面分辨率、傾斜攝影面積標(biāo)準(zhǔn)就可以得到精度較高的不動產(chǎn)測繪數(shù)據(jù)。此外，無人機(jī)的飛行高度對傾斜攝影的分辨率也有十分直接的影響，這就需要在實際的測繪過程中結(jié)合不動產(chǎn)的實際特點來合理調(diào)整傾斜攝影的焦距，同時對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行檢測，以便確保傾斜攝影的分辨率能夠在無線電圖中使用。無人機(jī)不同飛行高度的采集數(shù)據(jù)分辨率見表1。

表1 不同飛行高度的數(shù)據(jù)采集分辨率

參數(shù)之間的計算公式如公式（1）所示。

式中：H為無人機(jī)的飛行高度；f為傾斜攝像機(jī)的焦距；GSD為攝像機(jī)的分辨率；b為攝像機(jī)像素的大小。

由公式（1）可以看出，攝像機(jī)分辨率會隨無人機(jī)飛行高度的增加而不斷降低[2]。采用傾斜攝影來對不動產(chǎn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集時還會出現(xiàn)2個相鄰影像重疊的現(xiàn)象，尤其是在沿著無人機(jī)航向的三維空間模型之內(nèi)，該問題表現(xiàn)得尤為明顯。而圖像色調(diào)偏差過大則會導(dǎo)致無人機(jī)實際飛行路線和設(shè)計路線出現(xiàn)偏差，因此需要對影像重疊度進(jìn)行計算，其具體的計算公式如公式（2）、公式（3）所示。

式中：α為無人機(jī)航向重疊度；β為無人機(jī)旁向重疊度；l為影像的重疊距離；lx為無人機(jī)航向飛機(jī)距離；ly為無人機(jī)旁向飛行距離。

結(jié)合無人機(jī)攝影測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在對無人機(jī)攝像面積和航程進(jìn)行設(shè)計時，一般不超過不動產(chǎn)測繪像幅的一半[3]。為了在最大程度上滿足無人機(jī)傾斜攝影的要求，還在測繪區(qū)域內(nèi)立體均勻的布控相控點，保證相控點和無人機(jī)航線在同一區(qū)域之內(nèi)。

得到測繪數(shù)據(jù)之后，還應(yīng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工處理以便消除當(dāng)?shù)貧夂驐l件以及地理因素對數(shù)據(jù)的影響，具體的處理方式如下：首先將測繪數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心之后，采用POS系統(tǒng)對獲得的圖像質(zhì)量以及無人機(jī)飛行平臺的安全性進(jìn)行檢查。其中對圖像來講，主要檢查其色彩飽和度、清晰度以及像素等要素是否滿足不動產(chǎn)測繪的相關(guān)要求。同時還應(yīng)對無人機(jī)攝影的位置進(jìn)行檢查，以便確定是否存在角度偏轉(zhuǎn)等問題。無人機(jī)攝影質(zhì)量的高低在很大程度上是由相控點的精度所決定的，而對相控點精度的測控則需要采用GPS-RTK技術(shù)來完成，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對相控點布置體系和數(shù)據(jù)信息的識別，并自動對相鄰時間段的相控點數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，同時計算出相控點數(shù)據(jù)的誤差范圍[4]。此外，對空三精度進(jìn)行評價也是對無人機(jī)攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一種重要手段，其主要是對空三數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差處理，以便得到攝影數(shù)據(jù)和實際不動產(chǎn)坐標(biāo)值之間的誤差，誤差值的具體計算公式如公式（4）所示。

式中：?m為空三平均誤差值；?x2為不動產(chǎn)三維空間中水平誤差值；?y2為不動產(chǎn)三維空間中垂直方向誤差值。

經(jīng)過處理和計算得到三維空間模型數(shù)據(jù)之后，還應(yīng)采取專業(yè)的三維軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行完善和優(yōu)化，主要對圖像數(shù)據(jù)中的光線與鏡頭進(jìn)行處理，并在三維立體模型中對不動產(chǎn)測繪內(nèi)容進(jìn)行建模模擬，進(jìn)而構(gòu)建起完善的三維不動產(chǎn)體系，直觀、清晰地展示出不動產(chǎn)的真實狀況，以滿足工程測繪的多元化需求[5]。采用三維軟件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的流程如下：首先，對圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行識別，判斷其中是否含有不動產(chǎn)測繪的要素。其次，在圖像數(shù)據(jù)的邊緣記錄坐標(biāo)以及界線邊長，對攝像數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行測定。最后，系統(tǒng)會選取局部圖像數(shù)據(jù)對不動產(chǎn)測繪進(jìn)行模擬實現(xiàn)，在基礎(chǔ)不動產(chǎn)測繪過程中疊加圖像，增加數(shù)字成果，同時對不滿足擬合程度的圖像數(shù)據(jù)重新進(jìn)行篩查和處理。

3 航線規(guī)劃

采用無人機(jī)進(jìn)行不動產(chǎn)測繪時，為了兼顧測繪的效率和盡可能獲取更多的測繪數(shù)據(jù)，還應(yīng)對無人機(jī)的航線進(jìn)行合理規(guī)劃。在此過程中就可以采用無人機(jī)航線規(guī)劃軟件繪制出具體的航程圖，只需要在該軟件中輸入航線的具體參數(shù)即可獲得具體的航路數(shù)據(jù)[6]。對農(nóng)村不動產(chǎn)進(jìn)行測繪時，鑒于農(nóng)村房產(chǎn)所具有的分散性特征，可以采用如圖2所示的規(guī)劃方式。在該種規(guī)劃模式下需要對不動產(chǎn)進(jìn)行劃分，并根據(jù)多邊形對無人機(jī)航向進(jìn)行規(guī)劃。航線具體的規(guī)劃流程為如下：1）利用外接矩形包裹多邊形，并根據(jù)多邊形頂點的最大值和最小值，采用公式計算得出最佳線性的不規(guī)則多邊形直線方程，并結(jié)合無人機(jī)飛行高度、飛行航程等對航線進(jìn)行規(guī)劃。其計算公式為y=kx+d，其中k為直線的具體斜率，d為直線在y軸的截距。2）根據(jù)多邊形對無人機(jī)航線進(jìn)行規(guī)劃，并提取出不動產(chǎn)范圍的不規(guī)則多邊形。3）利用不規(guī)則多邊形航線規(guī)劃計算得出無人機(jī)航線的區(qū)域范圍。在此過程中，為了保證測繪區(qū)域邊界有較多的影像資料，可以采用傾斜的角度和測繪區(qū)域高度差對線寬進(jìn)行計算，具體的計算公式為L=HtanF，其中L為擴(kuò)展距離，F(xiàn)為攝影設(shè)備的傾斜角，H為區(qū)域測量高度差值。4）結(jié)合不規(guī)則多邊形的外擴(kuò)距離計算得出零散多邊形的相關(guān)數(shù)據(jù)，其具體的計算公式如公式（5）所示。

圖2 航線規(guī)劃圖

式中：S1、S2為不規(guī)則多邊形的面積；S為合并多邊形面積；S0為無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行測繪的具體區(qū)域；β為離散多邊形相關(guān)性。

4 三維重建

對無人機(jī)航線進(jìn)行規(guī)劃完成之后，需要將規(guī)劃好的航線數(shù)據(jù)上傳至無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中，進(jìn)而在測繪過程中對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。經(jīng)過處理之后的傾斜攝影數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于不動產(chǎn)的測繪中，但在實際應(yīng)用過程中還需要對不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以方便對其進(jìn)行進(jìn)一步處理。采用三維空間模型對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的空間模擬之后，才能開展對不動產(chǎn)地圖的測繪工作。進(jìn)行地圖測繪的具體流程如下：首先，采用Smart3D軟件構(gòu)建不動產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，并對圖像數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢測，在確定不動產(chǎn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)的前提下，對像控點進(jìn)行布控，以保證所得相控點數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。其次，三維模型中的數(shù)據(jù)信息存儲在系統(tǒng)操作平臺中，并將不動產(chǎn)地籍權(quán)屬相關(guān)數(shù)據(jù)錄入至操作平臺中。最后，對圖像數(shù)據(jù)信息不完整的，應(yīng)采用RTK技術(shù)來對其進(jìn)行補(bǔ)充采集。

開展無人機(jī)傾斜攝影三維重建的主要目標(biāo)是從采集得到的圖像數(shù)據(jù)中計算得出不動產(chǎn)的三維數(shù)據(jù)位置、幾何形狀等信息，并在此基礎(chǔ)之上生成三維點云。為了能夠在最大程度上滿足不動產(chǎn)測繪的應(yīng)用需求，還需要將三維點云置入真實的不動產(chǎn)坐標(biāo)系中。對此就需要在測繪區(qū)域內(nèi)布控圖像控制點，以便得到測繪區(qū)域的實際坐標(biāo)圖像控制點[7]。由此可以看出對圖像進(jìn)行三維重建是以計算機(jī)視覺原理為基礎(chǔ)進(jìn)行的，攝影圖像的三維建模流程如圖3所示。

圖3 三維建模步驟

在此基礎(chǔ)之上采用尺度不變特征變換算法（SIFT），在對圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行前處理的基礎(chǔ)之上，對攝影圖像的特征點進(jìn)行逐一匹配。進(jìn)行匹配的工作原理為通過連續(xù)選擇2個相鄰攝像圖像中連接點的相對方向?qū)Ψ较蛐栽剡M(jìn)行計算，并采用旋轉(zhuǎn)矩陣構(gòu)建自由網(wǎng)絡(luò)。然后對圖像的波束法和空中三相進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而得出具有較高精準(zhǔn)度的正外方位元素，其計算公式如公式（6）所示。

式中：AG為觀測值與測量值之差；C為攝像圖像的外方位元素系數(shù)矩陣；Δ為校正系數(shù)；ΔG為控制點坐標(biāo)校正值；KG為和ΔG控制點所對應(yīng)的系數(shù)矩陣；ΔT為連接點坐標(biāo)校正值；KT為和ΔT所對應(yīng)的系數(shù)矩陣；L為表征觀測值和計算得出結(jié)果之間的差值；I為單位矩陣；Ld為虛擬觀測向量。

在三維對立面中，一對同名點可以得到2個同名射線，2條射線的交點即為接地點的空間坐標(biāo)。在對圖像特征點進(jìn)行匹配和提取的過程中，由于只能得到離散的稀疏空間點，因此要想獲得三維密集點云數(shù)據(jù)，就需要對圖像進(jìn)行密集匹配，并同時建立起三維點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，利用對圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式來獲得不動產(chǎn)的真實地理坐標(biāo)。采用所視圖來對圖像特征進(jìn)行匹配，以便得到較為精準(zhǔn)的外方位元素，并采用分塊多視圖匹配產(chǎn)生立體對。然后采用三維點云對圖像空間進(jìn)行三角劃分，并對每個加密曲面三角形進(jìn)行加密，以完成對圖像的三角分割，最終得出圖像的三維空間模型。

5 結(jié)語

綜上所述，該文主要介紹了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在不動產(chǎn)測繪中的應(yīng)用。和傳統(tǒng)的人工測繪方式相比，基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有測繪精度高、工作效率高以及使用成本低等很多優(yōu)點，因此大大提升了不動產(chǎn)測繪的工作效率，實現(xiàn)了對不動產(chǎn)的非接觸測繪。但從另一方面來看，雖然采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以大大提升不動產(chǎn)測繪的工作效率，但同時無人機(jī)傾斜攝影對應(yīng)用環(huán)境以及設(shè)備都有較高的要求，攝像機(jī)的角度關(guān)系也較為復(fù)雜，因此在實際使用過程中還需要對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究，以便不斷提升圖像的精細(xì)化水平。