無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地籍測繪中的應(yīng)用

屈國興，何 杰

（寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，寧夏銀川 750021）

傾斜攝影測量技術(shù)繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)，在獲取正射影像的同時，也隨之獲取了多角度地形地物特征[1]，隨著傾斜攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，其在地籍調(diào)查中的應(yīng)用也越來越廣泛。目前無人機(jī)傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)獲取方式主要是固定翼大型無人機(jī)搭載五鏡頭設(shè)備，從垂直、左視、右視、前視、后視5 個視角對地物特征信息進(jìn)行獲取[2]。但是，這種外業(yè)數(shù)據(jù)獲取方法價(jià)格昂貴，且操作復(fù)雜，不適用于農(nóng)村地籍測量的全面推廣。小型多旋翼高精度航測無人機(jī)的出現(xiàn)，不僅便攜易用，也為外業(yè)數(shù)據(jù)的采集及三維模型的構(gòu)建提供了新途徑[3]。本文基于Phantom 4 RTK 單鏡頭無人機(jī)，從多角度獲取高分辨率和多方位的影像數(shù)據(jù)，利用ContextCapture三維實(shí)景建模軟件對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到具有真實(shí)坐標(biāo)的高精度的三維模型[4]，將三維模型導(dǎo)入EPS 地理信息工作站可實(shí)現(xiàn)外業(yè)、內(nèi)業(yè)、入庫更新一體化，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證該技術(shù)用于地籍調(diào)查項(xiàng)目的可行性。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

1.1 測量原理

無人機(jī)傾斜攝影測量的基本原理是在飛行平臺上搭載傳感器，同時從多個角度進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集的過程[5]。通過高分辨率相機(jī)，從傾斜角度和垂直角度采集地面高分辨率的影像數(shù)據(jù)，其中垂直角度生成的正片可以用于制作4D 產(chǎn)品，傾斜角度生成的斜片從多個視角獲取地面建筑物的紋理信息，將不同攝站生成的正片和斜片進(jìn)行疊加，利用內(nèi)外方位元素，恢復(fù)像片的幾何位置姿態(tài)，結(jié)合地面像控點(diǎn)，借助于三維建模軟件，生成高分辨率的實(shí)景三維模型[6]。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由飛行平臺、飛控系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等組成[7]。

（1）飛行平臺：基于Phantom 4 RTK 單鏡頭無人機(jī)，采用低空飛行、井字形航線設(shè)計(jì)、高重疊率的作業(yè)方案，以達(dá)到當(dāng)前地籍測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該無人機(jī)是一款小型多旋翼無人機(jī)，其導(dǎo)航定位精度可達(dá)厘米級，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 精靈Phantom 4 RTK 主要技術(shù)參數(shù)

（2）飛控系統(tǒng)及導(dǎo)航系統(tǒng)：飛行控制及導(dǎo)航系統(tǒng)用于監(jiān)測無人機(jī)飛行過程中的姿態(tài)變化，控制無人機(jī)按照指定的航線完成飛行計(jì)劃，在航飛過程中通過GPS/INS 獲取無人機(jī)的飛行姿態(tài)和曝光點(diǎn)的位置參數(shù)等，極大地提高了無人機(jī)航測過程中的飛行穩(wěn)定性。

（3）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：主要用于實(shí)時傳輸無人機(jī)的行高、航向、飛行軌跡等參數(shù)，傳輸無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)等。

（4）地面監(jiān)控系統(tǒng)：對無人機(jī)的飛行姿態(tài)及工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在無人機(jī)出現(xiàn)電量不足、信號丟失等狀況時及時預(yù)警，確保航測工作的正常進(jìn)行。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 技術(shù)路線

測區(qū)地處廣東省湛江市某村，地面覆蓋范圍0.623 km2。利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地籍測繪主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集（像控點(diǎn)布設(shè)、影像采集）、空中三角測量、多視影像密集匹配、構(gòu)建TIN 網(wǎng)格、紋理映射、內(nèi)業(yè)采編、外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測等步驟。其中，實(shí)景三維模型的構(gòu)建是通過空中三角測量解算出加密點(diǎn)的坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上通過多視影像密集匹配獲得點(diǎn)云，依據(jù)密集點(diǎn)云量的多少及計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)行瓦片劃分，構(gòu)建TIN 網(wǎng)格，最后依據(jù)映射算法建立三維物體表面點(diǎn)和二維空間紋理點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行紋理貼合，生成三維模型[8]。利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地籍測繪的具體流程見圖1。

圖1 三維測圖技術(shù)流程

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1 像控點(diǎn)布設(shè) 筆者結(jié)合對湛江市某村具體的踏勘情況，進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)。像控點(diǎn)的布設(shè)要符合一定疏密程度的要求，像控點(diǎn)的布設(shè)過于密集，不僅浪費(fèi)人力物力，而且對后期數(shù)據(jù)的處理速度也有很大的影響。相反，如果像控點(diǎn)的布設(shè)過于稀疏，則數(shù)據(jù)的精度難以保證。像控點(diǎn)的布設(shè)也要考慮地形要素，一般將控制點(diǎn)布設(shè)在地形比較平坦的地區(qū)，這樣可以減少內(nèi)業(yè)人員在刺點(diǎn)時由于誤刺而導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不符合要求的概率。此次項(xiàng)目待測區(qū)位于農(nóng)村，地形大多較平坦，沒有明顯的地物標(biāo)志，所以可以在道路拐角點(diǎn)布設(shè)一定數(shù)量的控制點(diǎn)，布設(shè)的控制點(diǎn)要清晰可見，以便內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行刺點(diǎn)。本次試驗(yàn)測區(qū)內(nèi)共布設(shè)了13 個像控點(diǎn)。

2.2.2 航線設(shè)計(jì)與無人機(jī)影像采集 在飛行之前要了解測區(qū)的交通情況、地形地貌等特征，同時獲得調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物的最大高度，從而可以更好地規(guī)劃航線、制訂飛行計(jì)劃，確保飛行作業(yè)安全進(jìn)行。在對測區(qū)進(jìn)行外業(yè)踏勘之后，筆者結(jié)合具體的踏勘情況，設(shè)計(jì)符合要求的地面分辨率、行高、航向重疊度及旁向重疊度等，根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，軟件將自動生成測區(qū)的最佳航線（圖2）。本次試驗(yàn)航飛相對高度150 m，旁向重疊度75%，航向重疊度80%，采集有效影像數(shù)為4 038 張。由于Phantom 4 RTK 為單鏡頭無人機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)與五鏡頭無人機(jī)類似的效果，需要調(diào)整鏡頭角度，從垂直、前、后、左、右5 個角度采集影像數(shù)據(jù)。

圖2 飛行航線設(shè)計(jì)

2.3 實(shí)景三維模型建立

2.3.1 空中三角測量 空中三角測量原理是利用無人機(jī)外業(yè)獲得的具有一定重疊度的影像數(shù)據(jù)，依據(jù)少量外業(yè)測得的控制點(diǎn)，對加密點(diǎn)的高程和平面位置進(jìn)行解算。在ContextCapture 三維實(shí)景建模軟件中，不需要過多的人工干涉，軟件會自動提取特征點(diǎn)并匹配同名點(diǎn)，進(jìn)行平差計(jì)算，采用的平差方法是光束法區(qū)域網(wǎng)平差。光束法區(qū)域網(wǎng)平差原理是將像片的光線作為平差單元，通過相關(guān)數(shù)學(xué)模型，解算出加密點(diǎn)的坐標(biāo)[9]。

2.3.2 多視影像密集匹配 多視影像具有較大的覆蓋范圍及較高的分辨率，多視影像密集匹配的關(guān)鍵在于如何快速獲取多視影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)同名點(diǎn)坐標(biāo)得到地物的三維信息。在立體像對重疊的區(qū)域進(jìn)行密集匹配時，由于無人機(jī)在傾斜攝影測量過程中傾斜方向無規(guī)律、航攝影像存在像幅小等特征，采用了基于SIFT 特征匹配算法的影像密集匹配方法。相關(guān)研究表明，基于SIFT 特征匹配算法可以得到可靠的密集匹配結(jié)果[10]。

2.3.3 構(gòu)建TIN 網(wǎng)格 依據(jù)密集點(diǎn)云量的多少及計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)行瓦片劃分，瓦片劃分的大小和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)所需內(nèi)存的大小密切相關(guān)；依據(jù)瓦片劃分的大小進(jìn)行不同細(xì)節(jié)的三維TIN 網(wǎng)格的構(gòu)建。TIN網(wǎng)格的構(gòu)建需要占用較大的電腦內(nèi)存，其優(yōu)點(diǎn)是自動化建模，真實(shí)紋理采集效率高。

2.3.4 紋理映射 紋理映射是依據(jù)映射算法建立三維物體表面點(diǎn)和二維空間紋理點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。傳統(tǒng)的紋理映射方法是通過垂直影像進(jìn)行紋理映射，這種方法只能獲取到垂直方向上的紋理信息，而建筑物側(cè)面的紋理信息不能得到較好的體現(xiàn)。ContextCapture可自動實(shí)現(xiàn)紋理映射，極大地提高了三維建模的效率。實(shí)景三維模型見圖3。

圖3 實(shí)景三維模型

2.4 內(nèi)業(yè)采編

本文采用清華山維EPS 測圖系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)業(yè)采編。EPS 三維測圖系統(tǒng)提高了測繪和GIS 工作站數(shù)據(jù)更新、生產(chǎn)、作業(yè)管理的效率，保證了生產(chǎn)管理成果的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)入庫更新與生產(chǎn)管理一體化。它有效地解決了目前數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中的一系列問題，比如數(shù)據(jù)存儲的困難，更新的難度以及質(zhì)量控制的難度等。用戶只需使用一個平臺、一套完整的數(shù)據(jù)即可完全地實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采編。通過EPS 三維測圖系統(tǒng)，將osgb 格式的實(shí)景三維模型轉(zhuǎn)化為DSM 格式并加載至EPS 測圖系統(tǒng)中，采集地物和地形要素的過程中無需佩戴立體眼鏡，直接在三維模型上進(jìn)行點(diǎn)、線、面要素的采集；EPS 繪圖的所有地物和注記對象的表達(dá)以要素類型為基礎(chǔ)，用不同的要素編碼表達(dá)，繪制地物需選擇相應(yīng)的編碼，對于部分遮擋及屬性信息不確定的地物要素要進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪和補(bǔ)測。圖4 為內(nèi)業(yè)匯編數(shù)據(jù)檢查。

圖4 內(nèi)業(yè)匯編數(shù)據(jù)檢查

3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證地籍圖的精度及無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地籍測繪應(yīng)用的可行性，本文均勻選取10 個外業(yè)采集點(diǎn)作為檢查點(diǎn)對成果精度進(jìn)行檢查分析，將外業(yè)采集點(diǎn)的坐標(biāo)與內(nèi)業(yè)采編的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（GB/T 24356—2009）的規(guī)定，按同等精度計(jì)算中誤差，公式[11]如下：

式中：M 表示平面中誤差；ΔS 為外業(yè)檢查點(diǎn)與內(nèi)業(yè)采集點(diǎn)的位差；n 為檢查點(diǎn)總個數(shù)。

《地籍調(diào)查規(guī)程》（TD/T 1001—2012）[12]中對界址點(diǎn)的精度要求為：一級界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為±5 cm，二級界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為±7.5 cm。根據(jù)點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表中的數(shù)據(jù)（表2），本文結(jié)合公式（1）計(jì)算求得界址點(diǎn)坐標(biāo)中誤差為3.38 cm，符合一級界址點(diǎn)平面中誤差的精度要求。

表2 點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文以無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地籍測繪中的應(yīng)用為例，利用ContextCapture 三維建模軟件構(gòu)建了測區(qū)的三維模型，采用清華山維EPS 測圖系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)業(yè)采編，求得測圖成果的平面中誤差為3.38 cm，滿足《地籍調(diào)查規(guī)程》（TD/T 1001—2012）中一級界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差的精度要求，通過實(shí)例驗(yàn)證了該技術(shù)在地籍測繪中的可行性，同時也提高了地籍測繪的工作效率，具有一定的實(shí)踐意義。

4.2 討論

本文采用的是單鏡頭無人機(jī)，具有成本低、操作簡單等優(yōu)勢，在測區(qū)范圍較小的地籍調(diào)查項(xiàng)目中可推廣使用，相比大面積的測區(qū)，單鏡頭無人機(jī)耗時較長，精度相對較低。因此，本文的研究結(jié)果為小范圍的地籍調(diào)查項(xiàng)目提供技術(shù)參考。