無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中的應(yīng)用研究

萬(wàn)麗娟

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510000）

1 引言

在當(dāng)前新農(nóng)村建設(shè)中，仍有許多地區(qū)在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中使用相對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)量技術(shù)，無(wú)法有效保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。目前，農(nóng)村房地一體測(cè)繪中由于房屋修建形式和地形情況往往很復(fù)雜，傳統(tǒng)的全站儀測(cè)圖方法觀測(cè)工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)且 費(fèi)力，容易產(chǎn)生較大范圍的人工測(cè)量誤差。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，可以利用專業(yè)的測(cè)繪軟件對(duì)無(wú)人機(jī)航空攝影獲得的三維坐標(biāo)、高度、姿態(tài)和圖像信息等原始遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，獲取相應(yīng)比例的遙感地物坐標(biāo)信息。無(wú)人機(jī)能從不同角度連續(xù)獲取同一地物位置的圖像信息，利用同一點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)確獲取三維多軸視點(diǎn)的匹配圖像，然后通過(guò)三維構(gòu)造建模分析和聯(lián)合調(diào)整等技術(shù)，對(duì)傳感器獲取信息的目標(biāo)探測(cè)結(jié)果和成圖參數(shù)資料進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和可視化處理，形成真實(shí)、完善的基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，為農(nóng)村房地一體測(cè)繪的有序發(fā)展提供全面支持[1]。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)屬于一種三維非接觸式影像測(cè)量新技術(shù)，具有廣泛的三維建模、正射影像、遙感圖像處理等綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠真實(shí)地反映地面目標(biāo)，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)提高數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)效率，并更清晰精準(zhǔn)地自動(dòng)獲取圖像。在中國(guó)農(nóng)村房地一體測(cè)繪中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以實(shí)時(shí)通過(guò)物體視角、運(yùn)動(dòng)范圍和視角距離的連續(xù)變化，獲得基于同一空間物體運(yùn)動(dòng)的多種不同立體圖像，實(shí)現(xiàn)多角度、全方位、逼真的三維模型重建，從而獲得各種實(shí)時(shí)地形圖像和三維測(cè)繪結(jié)果信息。目前，數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)化程度高，節(jié)省了時(shí)間和精力，通過(guò)成熟的三維重建軟件可以以較低的成本建立三維模型，使用無(wú)人機(jī)可以最大限度地節(jié)省人力，提高測(cè)繪工作效率，避免因時(shí)間等因素造成測(cè)繪工作的延誤。并且應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以更清晰地獲取頂部圖像、側(cè)面圖像和其他地面建筑物的特定信息，更容易建立三維實(shí)體模型，有利于在模型中全面構(gòu)建地表圖像和地表建筑物，與其他類型的技術(shù)和測(cè)量介質(zhì)（見表1）相比，無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中靈活性更強(qiáng)，不受地面建筑物或其他地形因素的影響，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，地面圖像信息的測(cè)量和獲取更快、更豐富，可使測(cè)繪人員全面掌握測(cè)區(qū)或建筑物的信息，有效降低測(cè)繪總體成本。

表1 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)比

3 農(nóng)村房地一體測(cè)繪的應(yīng)用思路

農(nóng)村房地一體測(cè)繪項(xiàng)目主要包括對(duì)農(nóng)村邊界點(diǎn)、房屋角點(diǎn)位置的跟蹤探測(cè)工作。在測(cè)繪期間，需要實(shí)施測(cè)繪區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像獲取和數(shù)據(jù)采集，然后規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行路線，繪制工作底圖并由此生成測(cè)量區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)系統(tǒng)，檢查并確定坐標(biāo)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，最后自動(dòng)生成無(wú)人機(jī)室內(nèi)坐標(biāo)檢測(cè)曲線和地面測(cè)繪結(jié)果[2]。為了提高農(nóng)村房地一體測(cè)繪效率，促進(jìn)工作的順利開展，應(yīng)始終堅(jiān)持科學(xué)操作，明確農(nóng)村房地一體測(cè)繪的思路，在農(nóng)村房地一體測(cè)繪前，必須在測(cè)量區(qū)域內(nèi)全面布置圖像控制點(diǎn)，收集相位控制點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用高精度無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取高分辨率圖像，最后，對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行全面控制和驗(yàn)證，得到精度更高、效果更好的測(cè)繪成果。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中的應(yīng)用案例

4.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目為河南省平頂山市郟縣安良鎮(zhèn)房地一體化測(cè)圖項(xiàng)目，通過(guò)無(wú)人機(jī)三鏡頭傾斜攝像機(jī)低空拍攝采集數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目位于地勢(shì)平坦的地區(qū)，共18 架次用于飛行攝影，飛行高度180 m，航向重疊80%，空中探測(cè)面積3.2 km2，共獲取航空照片72 819 張。

4.2 圖像控制點(diǎn)的布置

為了有效減少無(wú)人機(jī)地面控制點(diǎn)的分布數(shù)量和空間密度，減少無(wú)人機(jī)的工作量，使用高精度航空差分?jǐn)?shù)據(jù)，以確保單個(gè)空中探測(cè)目標(biāo)區(qū)域覆蓋范圍在可控范圍內(nèi)，其涉及的圖像控制點(diǎn)數(shù)量大于6 個(gè)。

4.3 數(shù)據(jù)采集

最終取得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括位置數(shù)據(jù)和原始航空數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)全球同步導(dǎo)航和定位服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，可以了解無(wú)人機(jī)航拍狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，飛行高度分布穩(wěn)定，航向垂直重疊度和垂直側(cè)面重疊較合理，圖像紋理結(jié)構(gòu)清晰，顏色比較對(duì)稱，層次較分明。

4.4 真實(shí)場(chǎng)景的3D建模

該項(xiàng)目分6 個(gè)區(qū)塊進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，每個(gè)區(qū)域采用無(wú)人機(jī)3個(gè)架次。真實(shí)飛行場(chǎng)景下建模過(guò)程具體描述如下：獲取的數(shù)據(jù)首先導(dǎo)入地圖，并分別對(duì)3 架次無(wú)人機(jī)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與保存，導(dǎo)到操作區(qū)域，然后再創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目，導(dǎo)入圖像數(shù)據(jù)和航空POS 數(shù)據(jù)，同時(shí)導(dǎo)入相位控制數(shù)據(jù)，通過(guò)檢查控制點(diǎn)的方式，提升測(cè)量的準(zhǔn)確性，以滿足測(cè)量要求。所有步驟均在計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成，最終得到安良鎮(zhèn)三維模型。

4.5 基于三維模型配備相應(yīng)信息

獲取真實(shí)場(chǎng)景的三維模型、正射成像資料和其他三維地形區(qū)域數(shù)據(jù)信息后，使用實(shí)景地圖軟件打開真實(shí)的三維模型，制圖人員在此軟件系統(tǒng)中自動(dòng)進(jìn)行場(chǎng)景三維地形捕捉設(shè)計(jì)和制圖，并根據(jù)真實(shí)的三維場(chǎng)景模型和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)配備房屋屬性信息。

4.6 精度測(cè)試結(jié)果

驗(yàn)證三維模型精度是否滿足要求后，需要驗(yàn)證三維模型和高程模型的精度，根據(jù)區(qū)域參數(shù)確定生成模型的精度，創(chuàng)建真實(shí)的三維模型后，將未使用的圖像檢查點(diǎn)作為模型驗(yàn)證點(diǎn)，以確定模型的絕對(duì)精度。通過(guò)將該地區(qū)大平面圖的現(xiàn)有數(shù)據(jù)與調(diào)查獲得的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以借助人工實(shí)地測(cè)試的方式，隨機(jī)選取一個(gè)三維模型收集信息，并與實(shí)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，在地圖生成過(guò)程中進(jìn)行誤差分析，研究其絕對(duì)精度，經(jīng)檢測(cè)，X方向平均誤差為0.062 m，Y方向平均誤差為0.053 m，滿足工程精度要求。

5 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中的具體應(yīng)用

5.1 外業(yè)飛行方案設(shè)計(jì)

從根本上講，農(nóng)村房地一體測(cè)繪的對(duì)象主要是村莊，由于其計(jì)量面積有限，在實(shí)際調(diào)查工作中，村莊位置分布相對(duì)廣泛，調(diào)查的范圍相對(duì)較廣。為了獲得高精度、高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，需要選擇輕型無(wú)人機(jī)和小型旋翼單目標(biāo)飛行系統(tǒng)，該飛行系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：（1）飛行系統(tǒng)中相關(guān)硬件設(shè)備和結(jié)構(gòu)以輕小型設(shè)備為主，總體重量小，便于攜帶；（2）單次飛行的作業(yè)面積完全可以滿足農(nóng)村房地一體測(cè)繪的總體需求；（3）單透鏡系統(tǒng)使測(cè)量更加靈活方便，通過(guò)掌握測(cè)量區(qū)域內(nèi)建筑物的高度和距離，科學(xué)調(diào)整測(cè)量角度；（4）總體成本較小，可以保證飛行安全。同時(shí)，在航線規(guī)劃或方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中，專業(yè)人員必須充分結(jié)合當(dāng)前被檢測(cè)區(qū)域航線的具體情況，科學(xué)合理地規(guī)劃航線，主要用于地面分辨率、飛行高度、圖像疊加速度、導(dǎo)航高度等，由于這些設(shè)計(jì)參數(shù)可能會(huì)影響圖像數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)結(jié)合測(cè)繪需要，合理確定飛行方案。以我國(guó)某農(nóng)村房屋為例，由于房屋分布較為集中，在進(jìn)行農(nóng)村房地一體測(cè)繪期間，無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)設(shè)計(jì)見表2。

表2 飛行的具體參數(shù)

5.2 選擇地面控制點(diǎn)布設(shè)與坐標(biāo)系統(tǒng)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行農(nóng)村房地一體測(cè)繪時(shí)，還需要加強(qiáng)地面控制點(diǎn)布置和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的選擇。在此過(guò)程中，相關(guān)人員應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的航線設(shè)置和地形變化合理確定地面控制點(diǎn)的數(shù)量，確保地面控制點(diǎn)布設(shè)的密度，從根本上保證三維模型的準(zhǔn)確性。另外，在控制點(diǎn)的布置中，還要在滿足測(cè)量精度的前提下，考慮測(cè)量成本、時(shí)間等因素，使圖像控制點(diǎn)的布置方案符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。例如，在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中，為了滿足航空攝影分辨率為0.0l m 的要求，村莊內(nèi)各地面控制點(diǎn)之間的距離應(yīng)大約保持在80 m[3]。一般來(lái)說(shuō)，地面控制點(diǎn)主要包括灰色標(biāo)記點(diǎn)和油漆標(biāo)記，在測(cè)繪布局規(guī)劃中，針對(duì)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)較為堅(jiān)硬的地面像控點(diǎn)，通常還需要使用油漆標(biāo)記，而在地面像控點(diǎn)質(zhì)地比較柔軟且較容易遭受損壞的區(qū)域而言，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)灰色標(biāo)記，并將其用作地面像控點(diǎn)的標(biāo)志。

5.3 真實(shí)場(chǎng)景的3D建模

在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲得相應(yīng)的坐標(biāo)和影像資料，并將獲取的數(shù)據(jù)和信息結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模?；谡鎸?shí)場(chǎng)景的3D 建模可以將POS 系統(tǒng)提供的多視影像元素作為起始值，應(yīng)用尺度和算法對(duì)圖像特征進(jìn)行科學(xué)匹配，也可以使用波束方法實(shí)現(xiàn)更高的精度，并加強(qiáng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和圖像的控制。在計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程中，可以使用Context Capture 系統(tǒng)執(zhí)行影像匹配算法和自動(dòng)紋理計(jì)算，該算法使用最先進(jìn)的手段，不斷提高三維實(shí)體建模的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)農(nóng)村房地一體測(cè)繪實(shí)踐中，運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以有效提高測(cè)繪工作的精度，保證無(wú)人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性，因此，相關(guān)無(wú)人機(jī)檢測(cè)和測(cè)繪使用單位必須重視無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的推廣應(yīng)用，規(guī)范測(cè)繪業(yè)務(wù)流程，提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、完善的建筑物和土地綜合測(cè)繪結(jié)果，必要時(shí)，可以利用直觀、全面的三維模型和正射影像。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在農(nóng)村房地一體測(cè)繪中，可以顯著提高遙感數(shù)據(jù)信息傳播的準(zhǔn)確度和及時(shí)性，該技術(shù)以其效率高、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因此，在未來(lái)使用過(guò)程中，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究，并針對(duì)當(dāng)前農(nóng)村房地一體測(cè)繪中存在的問(wèn)題提出相應(yīng)解決方案，促進(jìn)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展。