基于無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)的農(nóng)村地籍測(cè)量研究＊

史佳豪

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 引言

農(nóng)村地籍調(diào)查是一項(xiàng)指導(dǎo)鄉(xiāng)村建設(shè)、保障農(nóng)民權(quán)益的重要舉措，農(nóng)村地籍測(cè)量是獲取地理信息數(shù)據(jù)的重要手段[1]。現(xiàn)階段農(nóng)村地區(qū)所使用的地籍測(cè)量技術(shù)普遍為RTK和全站儀技術(shù)，雖然測(cè)量結(jié)果較為精確，但也存在成本高、周期長(zhǎng)等方面的問(wèn)題。為了兼顧農(nóng)村地籍測(cè)量在精度和效率兩方面的要求，已經(jīng)有單位將無(wú)人機(jī)技術(shù)與三維建模技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)傾斜航測(cè)技術(shù)在獲取農(nóng)村地理信息數(shù)據(jù)，該技術(shù)不僅能夠維持較高的精度水平，同時(shí)也能夠應(yīng)對(duì)農(nóng)村地區(qū)復(fù)雜的地理環(huán)境，現(xiàn)已在農(nóng)村土地資源管理與規(guī)劃工作中發(fā)揮重要作用[2-4]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在地形圖測(cè)繪方面，Subedi Sudip等人通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)河流河流地區(qū)實(shí)施測(cè)繪，利用多視影像建立三維模型，進(jìn)而繪制出全數(shù)字化的河流景觀的地形圖[5]；Honert Eric C．等人在近垂直路塹邊坡極端地形監(jiān)測(cè)中引用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，采用傾斜影像和垂直影像相結(jié)合的方式建立橫斷面，進(jìn)而以幾何形狀的方式對(duì)道路邊坡復(fù)雜橫斷面加以表達(dá)，直觀明了地展示了該地區(qū)的規(guī)劃狀況[6]；在三維建模方面，高彩蓮將近景攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái)，針對(duì)復(fù)雜地形山體城市建立了單體化、精細(xì)化的三維模型，解決了單純近景攝影測(cè)量技術(shù)下三維模型粗糙化的問(wèn)題[7-8]。可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)階段的地理測(cè)量工作中有著較為理想的應(yīng)用效果。

3 傾斜航測(cè)技術(shù)原理與測(cè)量方法

3.1 總體測(cè)量流程

本次研究利用無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)和Smart 3D軟件對(duì)陜西省渭南市的某個(gè)村落進(jìn)行地籍測(cè)量，總體測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 總體測(cè)量流程圖

3.2 傾斜攝影測(cè)量的原理

傾斜航測(cè)也叫做傾斜攝影，是一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)設(shè)備的空白攝影方式。對(duì)于攜帶有5顆攝像頭的無(wú)人機(jī)，可以采用S 型飛行方式，同時(shí)獲取垂直方向及東、南、西、北四個(gè)方面的形態(tài)圖像數(shù)據(jù)；對(duì)于攜帶1 顆攝像頭的無(wú)人機(jī)，則需要采用井字型的飛行方式，首先于被測(cè)目標(biāo)正上訪拍攝一組正攝影像，接下來(lái)根據(jù)事先規(guī)劃好的井字型飛行路線以一定角度獲取四組傾斜影像，同時(shí)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GSP模塊記錄影像曝光瞬間無(wú)人機(jī)姿態(tài)參數(shù)和位置信息[9-12]。在后期處理方面，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件對(duì)影像資料進(jìn)行密集匹配并識(shí)別同名像點(diǎn)，運(yùn)用空中三角測(cè)量的方法目標(biāo)物體的三維坐標(biāo)加以解析，最終通過(guò)多視角紋理貼圖和三角網(wǎng)絡(luò)模型輸出三維模型產(chǎn)品。

3.3 影像數(shù)據(jù)處理方法

本次研究通過(guò)Smart 3D 軟件建立測(cè)量對(duì)象的TIN 三角網(wǎng)模型，本次研究處理傾斜航測(cè)數(shù)據(jù)所采用的測(cè)量軟件為Smart 3D，該產(chǎn)品由法國(guó)Acute3D公司開(kāi)發(fā)，是一款基于數(shù)字圖像的三維建模平臺(tái)，能夠輸出多種主流數(shù)據(jù)產(chǎn)品，比如TIN三角網(wǎng)模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三維模型等[13]。該軟件中的Engine模塊可根據(jù)傾斜攝影所獲取的圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)空中三角解算并支持三維重建，用戶通過(guò)Viewer 模塊還可以實(shí)施預(yù)覽三維模型重建效果。

(1) 建立TIN三角網(wǎng)

在建模過(guò)程中，所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都要參與TIN三角網(wǎng)構(gòu)建，進(jìn)而建立初始的三角網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，采用對(duì)角線交換法，以多視影像匹配獲得的線元素為約束條件，通過(guò)局部最優(yōu)過(guò)程LOP 對(duì)三角網(wǎng)中的各條線段進(jìn)行調(diào)整，最終建立起附有約束條件的TIN三角網(wǎng)。該環(huán)節(jié)具體流程如下：①于三角網(wǎng)中加入一條約束線段；②若三角形邊長(zhǎng)與約束線之間有交點(diǎn)且與其他三角形有公共邊，則將這些公共邊刪除，使得約束線段與這些三角形形成一個(gè)多邊形；③將這個(gè)多邊形的各個(gè)頂點(diǎn)與約束線段的端點(diǎn)連接起來(lái)；④通過(guò)LOP 交換的方式對(duì)三角網(wǎng)加以調(diào)整，使加入的約束線段成為三角形中的一個(gè)邊；⑤重復(fù)上述過(guò)程，直到全部約束線均形成三角中的一條邊[14]，構(gòu)網(wǎng)過(guò)程如圖2所示，TIN三角網(wǎng)具體形成如圖3所示。

圖2 TIN三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)過(guò)程

圖3 TIN三角網(wǎng)

(2) 紋理映射

Smart 3D 軟件具有自動(dòng)紋理映射功能，該軟件在基于圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先等級(jí)建立不規(guī)則三角網(wǎng)，進(jìn)而輸出白模三維模型[15]，具體形式如圖4 所示。在此基礎(chǔ)上基于紋理映射的影像位置數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理貼圖并輸出帶有紋理的三維模型，具體形式如圖5所示。

圖4 白模三維模型

圖5 帶有紋理的三維模型

4 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案

應(yīng)用于無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)的外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)工作應(yīng)當(dāng)遵循以下幾點(diǎn)原則：(1)為了妥善處理對(duì)影像匹配結(jié)果精度與投影差之間的矛盾關(guān)系，像控點(diǎn)布設(shè)位置與影像邊界之間的距離應(yīng)當(dāng)維持在1～1．5cm 之間；(2)避開(kāi)有陰影的區(qū)域：(3)像控點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)當(dāng)盡量寬敞，避開(kāi)大片水域、信號(hào)塔、電視塔等信號(hào)干擾嚴(yán)重的位置。

農(nóng)村地區(qū)房屋高低較低，鳥(niǎo)瞰視野較好，為了提高地籍測(cè)量工作效率，可以采用測(cè)區(qū)周邊均勻分布的外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案，在測(cè)區(qū)的角部以點(diǎn)組的形式布設(shè)像控點(diǎn)，同時(shí)于內(nèi)部設(shè)置少量像控點(diǎn)，具體形式如圖6所示。

圖6 外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)方案

5 外業(yè)飛行方案設(shè)計(jì)

5.1 飛行平臺(tái)選擇

本次研究采用大疆Mini 2小型旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)施外業(yè)拍攝，該設(shè)備重量?jī)H有1．1kg，最大信號(hào)支持距離5～7km，續(xù)航時(shí)間約50分鐘，支持4k拍攝，具有便攜性、長(zhǎng)續(xù)航、高清攝像等方面的優(yōu)勢(shì)，售價(jià)約3000元，十分適用于鄉(xiāng)村地區(qū)野外測(cè)量作業(yè)。

5.2 航線規(guī)劃

由于鄉(xiāng)村地區(qū)視野開(kāi)闊，像點(diǎn)位移、航帶彎曲度、云臺(tái)傾斜角度等問(wèn)題較為容易解決，需要重點(diǎn)考慮的是航高與地面分辨率之間的關(guān)系。

本次研究對(duì)無(wú)人機(jī)航高與地面分辨率之間的關(guān)系做如下定義：

公式(1)將無(wú)人機(jī)飛行高度記為H，單位(m)；將相機(jī)鏡頭的焦距記為f，單位(mm)；將相機(jī)像元的邊長(zhǎng)記為a，單位(mm)；將影像地面分辨率記為GSD，單位(m)。大疆Mini 2小型旋翼無(wú)人機(jī)攝像頭FC6310的像元的大小為0．00241mm，鏡頭焦距為8．8mm，地面分辨率與無(wú)人機(jī)航高之間的關(guān)系如表1所示。

表1 不同航高所對(duì)應(yīng)的地面分辨率

根據(jù)表1可知，無(wú)人機(jī)飛行高度越低，影像清晰度越高，地面分辨率的值越小，但建筑物陰影也會(huì)被拉長(zhǎng)，影響后期數(shù)據(jù)處理，同時(shí)結(jié)合飛行安全方面的考慮，本次研究將無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行高度設(shè)定為80m。

6 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與精度分析

6.1 測(cè)量區(qū)域概況

本次研究所選定的實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于陜西省渭南市何劉鄉(xiāng)坡王村，該地區(qū)面積約為0．08km2，屬于丘陵地區(qū)，村落房屋以土房和磚房為主。于該區(qū)域設(shè)置17 個(gè)外業(yè)像控點(diǎn)，測(cè)量區(qū)域及像控點(diǎn)布局方案如圖7所示。

圖7 測(cè)量區(qū)域及像控點(diǎn)布局結(jié)果

通過(guò)本文所闡述的測(cè)量方法獲取各像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，為分析無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次研究通過(guò)應(yīng)用更為成熟的RTK技術(shù)分別對(duì)同樣的像控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而對(duì)比兩種測(cè)量方法下像控點(diǎn)坐標(biāo)的差異。RTK 技術(shù)即載波相位差分技術(shù)，是一種常用的衛(wèi)星定位測(cè)量方法，測(cè)量成本高、周期長(zhǎng)，但精度能夠達(dá)到厘米級(jí)。

6.2 數(shù)據(jù)分析方法

為了盡量縮小操作誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，分別對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集，以RTK技術(shù)下所采集到的坐標(biāo)值為真值，結(jié)合10 組無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)所采集到的坐標(biāo)值計(jì)算出各像控點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，計(jì)算方法如下。

公式(2)將RTK 技術(shù)所測(cè)得的各像控點(diǎn)坐標(biāo)記為(X，Y)，將無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)第i次所測(cè)得的各像控點(diǎn)坐標(biāo)記為(xi，yi)，將各項(xiàng)控點(diǎn)中誤差記為m，將測(cè)量次數(shù)記為n，精度對(duì)比結(jié)果。

6.3 測(cè)量精度驗(yàn)證結(jié)果

無(wú)人機(jī)傾斜攝影精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 各項(xiàng)控點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，基于無(wú)人機(jī)傾斜航測(cè)技術(shù)像控點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果與RTK 測(cè)量結(jié)果之間的占位中誤差主要集中在0．023與0．044之間，在測(cè)量精度方面具有較為充分的保障，在測(cè)量成本和測(cè)量周期等方面則明顯優(yōu)于RTK 測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)在農(nóng)村地籍測(cè)量工作中具有較高的可行性。