無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在農(nóng)村房地一體測(cè)量中的應(yīng)用探索

孫詩友

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì)，四川 成都 610052)

0 前 言

社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，使得保障廣大農(nóng)民權(quán)益成為一項(xiàng)重要工作，而農(nóng)村房地一體化調(diào)查不但是惠民政策，而且是國(guó)家掌握農(nóng)民住宅的主要途徑，是編制新農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃的數(shù)據(jù)來源。為此，有必要確保農(nóng)村房地一體化測(cè)量成果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際測(cè)量工作的開展中，可以對(duì)先進(jìn)的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)加以合理應(yīng)用。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

1.1 測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別為影像獲取設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件。在該系統(tǒng)中，影像獲取設(shè)備是核心，包括無人機(jī)、航向規(guī)劃軟件以及攝影相機(jī)等。

1.2 測(cè)量原理

當(dāng)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)中搭載的相機(jī)為5鏡頭相機(jī)，無人機(jī)的飛行方式為S形，此時(shí)測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)拍攝周圍四個(gè)方向以及垂直方向的影像；系統(tǒng)搭載單鏡頭相機(jī)時(shí)，無人機(jī)的飛行方式為井字形，鏡頭垂直形下拍攝正攝影像，鏡頭在云臺(tái)的控制下，角度會(huì)偏斜，無人機(jī)沿著規(guī)劃的軌跡飛行兩遍，可獲取四組傾斜影像。當(dāng)某個(gè)地物的影像同時(shí)出現(xiàn)在三張以上的照片中時(shí)，計(jì)算機(jī)通過識(shí)別，并利用相應(yīng)的方法，便可獲取到拍攝物體的三維坐標(biāo)。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)采用的是3D建模的方法，常用的有兩種，分別為L(zhǎng)idar數(shù)據(jù)結(jié)合影像、完全依托傾斜影像[1]。

1.3 影像密集匹配

在傾斜攝影測(cè)量中，多視影像的密集匹配是技術(shù)核心。從多視影像的特點(diǎn)來看，它的分辨率較高，影像重疊度大，由此容易引起數(shù)據(jù)冗余問題。傾斜攝影相機(jī)是通過無人機(jī)搭載，因無人機(jī)本身飛行的高度偏低，加之飛行過程中受到風(fēng)的阻力影響，穩(wěn)定性一般，所以會(huì)導(dǎo)致拍攝到的影像具有明顯的重疊度變化，增大了多視影像同名點(diǎn)的獲取難度。為了能夠在多視影像當(dāng)中以較快的速度找到同名點(diǎn)，恢復(fù)被拍攝物體的三維信息，便需要進(jìn)行密集匹配。

1.4 TIN三角網(wǎng)

數(shù)字地表模型(DSM)按子域可劃分為以下兩類：一類是規(guī)則方形格網(wǎng)(RSG)，另一類是不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。前者雖然結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且構(gòu)建過程比較容易，但由于不具備拓?fù)涔δ?，從而?dǎo)致數(shù)據(jù)量大，會(huì)出現(xiàn)冗余問題，特別是在平坦區(qū)域，這種情況的發(fā)生幾率較高；后者有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量小，表達(dá)細(xì)致，在一些地勢(shì)不平坦的區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯[2]。多視影像匹配時(shí)，不可避免會(huì)產(chǎn)生出諸多點(diǎn)和線元素，其中的點(diǎn)元素可用TIN構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，而線元素可作為約束條件，參與到TIN的構(gòu)建中。在對(duì)TIN構(gòu)建時(shí)，可基于Smart3D軟件，具體方法如下：利用對(duì)角線交換法，將通過密集匹配得到的線元素作為約束條件，借助局部最優(yōu)，對(duì)TIN中每條的線段進(jìn)行調(diào)整，以此來形成具備約束的TIN網(wǎng)。

1.5 紋理映射

從本質(zhì)的角度上講，紋理映射是將傾斜攝影系統(tǒng)拍攝的物體影像經(jīng)處理后，所生成的具有紋理特征的圖像，依托數(shù)學(xué)關(guān)系，建立與空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將具備紋理特征的圖像貼附在3D模型上，便可形成視覺效果逼真的模型[3]。按照映射方向的不同，可將紋理映射分為正向和反向兩種情況。

正向映射是以映射函數(shù)為依托，對(duì)2D紋理坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)?D紋理坐標(biāo)，并貼到模型表面，函數(shù)表達(dá)式如下：

F:(u,v)→(x,y)=(k(u,v),1(u,v))

(1)

式中，F(xiàn)為正向映射函數(shù)；(x,y)為屏幕坐標(biāo)；(u,v)為紋理坐標(biāo)。

反向映射的方向是從屏幕到紋理空間，它是紋理映射中應(yīng)用較為廣泛的方法，數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

F-1(x,y)→(u,v)=(h(x,y),g(x,y))

(2)

反射映射需要對(duì)每個(gè)像素依次求解，由此避免多圖像不連續(xù)的情況，基本上不會(huì)產(chǎn)生出數(shù)據(jù)冗余問題。Smart3D軟件能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)紋理映射，具體過程如下：通過空三解算，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定好的優(yōu)先級(jí)構(gòu)建TIN網(wǎng)，隨后生成無紋理的3D模型，按紋理映射的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合影像位置信息，快速完成紋理貼圖，進(jìn)而形成帶有紋理的3D模型，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)貼膜后形成帶有紋理的3D模型示意圖

2 農(nóng)村房地一體測(cè)量無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用

對(duì)于農(nóng)村房地而言，一體測(cè)量的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：宅基地界址點(diǎn)、房屋角點(diǎn)、地籍調(diào)查底圖的繪制等。實(shí)際測(cè)量中，可對(duì)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)加以合理運(yùn)用，具體的測(cè)量思路是在待測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)像控點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)差分定位(RTK)測(cè)出像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)的坐標(biāo)。同時(shí)設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行方案，據(jù)此獲取待測(cè)區(qū)域的影像數(shù)據(jù)，制作出3D模型。

2.1 布設(shè)像控點(diǎn)

不同顏色的線條為大小不同的畸變誤差，線條越長(zhǎng)表明畸變誤差越大，通過對(duì)像控點(diǎn)的合理布設(shè)，能夠使誤差傳遞被有效削弱，從而減少影像中的誤差。

2.1.1 考慮因素

像控點(diǎn)的布設(shè)與影像成圖質(zhì)量具有密切的關(guān)聯(lián)，實(shí)際布設(shè)中，除要考慮信號(hào)干擾問題外，還要對(duì)以下因素加以充分考慮：影像中像控點(diǎn)要清晰可見，易于識(shí)別；像控點(diǎn)的位置應(yīng)當(dāng)在距離影像邊緣1.0～1.5 cm；避開陰影，以免影像不清晰；選擇寬闊的地點(diǎn)布設(shè)，確保測(cè)量精度。

2.1.2 布設(shè)與標(biāo)記方式

本次測(cè)量中，設(shè)計(jì)以下幾種像控點(diǎn)布設(shè)方案：均勻布設(shè)、角部布設(shè)、四周均勻布設(shè)以及四周均勻加內(nèi)部少量布設(shè)。為確保測(cè)量成果的精度，在傾斜攝影測(cè)量前，要對(duì)像控點(diǎn)標(biāo)記進(jìn)行布設(shè)，標(biāo)記材料可以按照地面的堅(jiān)硬程度選擇，布點(diǎn)可選用“十”或是“L”，當(dāng)選用“十”時(shí)，需要在中心點(diǎn)處噴射一個(gè)圓，直徑以5.0 cm為宜，硬質(zhì)地面選用油漆作為標(biāo)記材料，軟質(zhì)地面選用膩?zhàn)臃圩鳛闃?biāo)記材料。通過RTK測(cè)量像控點(diǎn)坐標(biāo)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1.3 像控點(diǎn)布設(shè)區(qū)域概況

本次所選的像控點(diǎn)布設(shè)區(qū)域?yàn)槟车氐囊蛔迩f，測(cè)區(qū)內(nèi)的地勢(shì)較為平坦，村內(nèi)的建筑物分布相對(duì)比較規(guī)則，磚瓦房為主，有部分混凝土房屋，均為低矮建筑，街道上的植被不是很多。按照上文中的像控點(diǎn)布設(shè)方案，在該區(qū)域內(nèi)對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)。為驗(yàn)證各種布設(shè)方案下構(gòu)建的3D模型位置精度，選取7個(gè)檢查點(diǎn)，分別為f1～f7，以RTK現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。f1、f2和f6全部都是圍墻的拐點(diǎn)，f3為獨(dú)立物拐點(diǎn)、f4和f5為大門拐點(diǎn)，f7為房角點(diǎn)。將各種方案建立的3D模型分別導(dǎo)入EPS軟件中，通過計(jì)算后得出檢查點(diǎn)的誤差，結(jié)果表明，在測(cè)區(qū)的周邊均勻布設(shè)、內(nèi)部少量布設(shè)像控點(diǎn)的方案比較適合農(nóng)村房地一體化測(cè)量，可將之作為首選方式。

2.2 無人機(jī)飛行方案

在農(nóng)村房地一體測(cè)量中應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，無人機(jī)的選擇及航線設(shè)計(jì)是重點(diǎn)環(huán)節(jié)，與測(cè)量成果密切相關(guān)。

2.2.1 選擇飛行系統(tǒng)

在農(nóng)村房地一體測(cè)量中，可以按照拍攝區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)無人機(jī)合理選擇。農(nóng)村房地測(cè)量通常都是以村為單位，從面積上看并不是很大，但位置分布較為散亂，所以大面積飛行系統(tǒng)并不適用，可將小型旋翼無人機(jī)與單鏡頭相機(jī)作為首選，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下方面：旋翼無人機(jī)重量輕、便于攜帶、價(jià)格低、飛行安全系數(shù)高、適用于低空攝影；單鏡頭靈活性更強(qiáng)。

2.2.2 航線規(guī)劃方案

無人機(jī)航線規(guī)劃過程中，要對(duì)以下參數(shù)合理設(shè)計(jì)：無人機(jī)飛行速度、航行高度、云臺(tái)的傾斜角度、影像的重疊度以及地面分辨率等。這些參數(shù)之間存在一定的關(guān)系，為使所有參數(shù)更加合理，要明確它們關(guān)系。無人機(jī)的飛行高度與地面分辨率的關(guān)系為飛得越低，分辨率值越小，影像越清晰，但建筑物陰影會(huì)隨之拉長(zhǎng)，對(duì)后期影像數(shù)據(jù)的處理造成不利影響，并且還會(huì)造成無人機(jī)飛行安全性降低。結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，最終決定將無人機(jī)的飛行高度設(shè)定為80 m。

無人機(jī)傾斜攝影的過程中，單鏡頭相機(jī)拍攝影像時(shí)，無人機(jī)始終處于飛行狀態(tài)，由此會(huì)引起影像中的地物點(diǎn)位移，該因素除了與無人機(jī)的飛行速度有關(guān)外，還與單鏡頭相機(jī)的曝光時(shí)間間隔及地面分辨率等有關(guān)。為避免像點(diǎn)位移幅度過大導(dǎo)致拉花，影響拍攝質(zhì)量，可將位移控制在0.3個(gè)像元內(nèi)，與之相對(duì)應(yīng)的地面分辨率及無人機(jī)飛行速度為0.022 m和6.6 m/s。

通常情況下，無人機(jī)航向的重疊度為60%，最低不得低于53%，若是地面起伏變化大，則重疊度應(yīng)隨之適當(dāng)增大。航空數(shù)碼技術(shù)的出現(xiàn)，使重疊度有所提高，基本上能夠達(dá)到70%以上，旁向也能達(dá)到60%左右。但必須指出的是，隨著重疊度的增加，影像的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增多，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理量增大。在保證精度的前提下，為加快作業(yè)效率，可將影像重疊度設(shè)定為80%和70%。本次設(shè)計(jì)的航線規(guī)劃方案中的關(guān)鍵參數(shù)如下：①無人機(jī)的航行高度80 m；②地面分辨率0.022 m；③航向重疊率90%；④旁向重疊率70%；⑤云臺(tái)傾斜角45°；⑥飛行方式為井字形；⑦飛行速度6.6 m/s。

2.3 實(shí)際測(cè)量與精度分析

本次選擇的測(cè)量區(qū)域?yàn)槟炒迩f，村內(nèi)的建筑較為集中，有磚瓦房和樓房，圍墻以磚為主，土墻較少，圖2為該村莊的俯視圖。

圖2 某村莊俯視圖

2.3.1 無人機(jī)飛行質(zhì)量

農(nóng)村房地一體測(cè)量中應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量時(shí)，要檢查無人機(jī)的飛行質(zhì)量，具體包括以下內(nèi)容：影像重疊度、航線彎曲度、航高差等。經(jīng)過檢查得出如下結(jié)果：影像重疊度為76.69%、旁向重疊度為67.87%、航高差為7.836 m，航線彎曲度為0.645%。由上述檢查結(jié)果可知，影像與限差要求相符，飛行影像清晰度較高，未出現(xiàn)重影現(xiàn)象，判定影像質(zhì)量合格。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)成果與農(nóng)村地基測(cè)量規(guī)范的精度是否相符，在該村莊中選取17個(gè)房角點(diǎn)，用f1～f17表示，通過RTK測(cè)量坐標(biāo)。因測(cè)量結(jié)果會(huì)受到偶然誤差的影響，所以對(duì)所有檢查點(diǎn)均采集10次數(shù)據(jù)，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的坐標(biāo)值作為真值，求取檢查點(diǎn)的誤差，檢查點(diǎn)平均點(diǎn)位中誤差為0.065 m，最大點(diǎn)位中誤差為0.097 m。

可將農(nóng)村房地一體測(cè)量的對(duì)象細(xì)分為以下幾類：第一類為界址點(diǎn)，這是繪制地籍要素不可或缺的對(duì)象，必須保證精度；第二類宅基地內(nèi)部的房角點(diǎn)，是繪制房屋坐落的重要因素；第三類地上物，如道路、水渠等。本次測(cè)量得出如下結(jié)果：在地勢(shì)較為平坦的村莊，通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，可以使成果精度達(dá)到地籍測(cè)量一級(jí)界址點(diǎn)要求，而地勢(shì)起伏的村莊，只能達(dá)到二級(jí)界址點(diǎn)的要求。

2.4 地形圖制作

將基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果構(gòu)建的3D模型與影像數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入EPS軟件，分別在模型中繪制出該村莊內(nèi)的房屋與圍墻，以隨機(jī)的方法選取地物點(diǎn)，包括磚房一角、混凝土房屋一角、路燈、道路轉(zhuǎn)角、輸電線桿等，隨后采集上述地物點(diǎn)坐標(biāo)，其中道路轉(zhuǎn)角的x和y坐標(biāo)超差，混凝土房屋一角的x和z坐標(biāo)超差，輸電線桿的z坐標(biāo)超差。引起道路轉(zhuǎn)角坐標(biāo)超差的原因?yàn)椴杉瘮?shù)據(jù)時(shí)，采成直角和弧線；輸電線桿超差的原因?yàn)橛跋癫磺逦?，高程值超限；混凝土房屋一角超差是位置判別不同所致。

大體上可將坐標(biāo)超差的原因總結(jié)為以下兩個(gè)方面：不同測(cè)量人員在切點(diǎn)的判別上存在差異，采集數(shù)據(jù)時(shí)，3D模型角度調(diào)整不一致，進(jìn)而造成成果超差；構(gòu)建的3D模型存在質(zhì)量缺陷，其中建筑物棱角點(diǎn)數(shù)量不足，TIN網(wǎng)過于粗糙，無法通過3D模型清晰表達(dá)出建筑細(xì)節(jié)。針對(duì)以上問題，可以采取以下方法加以解決：對(duì)測(cè)量中需要量取的位置進(jìn)行明確，搞清不同建筑要從何處測(cè)量。3D模型具有自由旋轉(zhuǎn)的特性，這樣容易使不同測(cè)量人員產(chǎn)生不同的判別，對(duì)此，可將3D模型與DOM影像相結(jié)合，采集數(shù)據(jù)時(shí)，檢查點(diǎn)位是否處在適宜的位置，若是不在，則可調(diào)換模型角度；借助Smart3D軟件建模，編輯建筑物細(xì)節(jié)，使模型精細(xì)化，以此來滿足測(cè)量需要。

3 結(jié) 語

農(nóng)村房地一體測(cè)量是一項(xiàng)非常重要的工作，在此項(xiàng)工作的開展中，為確保測(cè)量成果的準(zhǔn)確性，可合理應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)。未來一段時(shí)期，要不斷加大傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究力度，通過逐步改進(jìn)，使技術(shù)更加完善，從而更好地為測(cè)量服務(wù)。

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