無人機(jī)攝影測(cè)量在房地一體化調(diào)查中的應(yīng)用

劉 娣，王姜華，曾娟娟，何仁德

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2.湖南智強(qiáng)工程技術(shù)有限公司，長沙 410000；3.湖南虹康規(guī)劃勘測(cè)咨詢有限公司，長沙 410000）

隨著全國各地房地一體化調(diào)查項(xiàng)目迅速地開展，無人機(jī)攝影測(cè)量在房地一體化調(diào)查中起到了非常重要的作用[1]。不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量是房地調(diào)查項(xiàng)目中一項(xiàng)非常重要的工作，大部分不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量采用的還是傳統(tǒng)的測(cè)量手段，如GPS-RTK、全站儀等，存在的問題有：房子密集、通視效果差，很多地方不易到達(dá)。而房地一體化調(diào)查項(xiàng)目范圍大，工期緊，因此外業(yè)工作量極大，人力成本也高，工期長，效率低等，如果利用無人機(jī)攝影測(cè)量將在滿足項(xiàng)目技術(shù)要求的前提下大大縮短項(xiàng)目工期從而及時(shí)完成房地一體化調(diào)查項(xiàng)目。

1 無人機(jī)航測(cè)的應(yīng)用

無人機(jī)航測(cè)是指在無人機(jī)上安裝航空攝影儀，從空中對(duì)地面目標(biāo)或空中目標(biāo)進(jìn)行攝影，獲取航攝像片或數(shù)字影像。目前無人機(jī)攝影測(cè)量的應(yīng)用涉及面非常廣，對(duì)比來看，國外大部分應(yīng)用于資源管理與環(huán)境監(jiān)測(cè)等，像自然資源管理和監(jiān)測(cè)，包括植被監(jiān)測(cè)、高光譜無人機(jī)圖像分類和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等；也有環(huán)境監(jiān)測(cè)/檢查，包括交通監(jiān)測(cè)、道路跟蹤、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和河流監(jiān)測(cè)等行業(yè)領(lǐng)域。而國內(nèi)在工程建設(shè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用都比較多，尤其是基礎(chǔ)工程建設(shè)、智慧城市建設(shè)方面，如在智慧城市中利用無人機(jī)攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模研究。

對(duì)比傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量以及傳統(tǒng)數(shù)字測(cè)圖手段，無人機(jī)航空攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)有：小巧靈活、作業(yè)成本低、安全性能高、快速便捷及低空飛行精度高，非常適用于區(qū)域面積高分辨率影像的獲取，因此國家測(cè)繪地理信息局逐步在全國測(cè)繪系統(tǒng)配備并推廣輕小型無人機(jī)[2-3]。無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)能夠快捷地獲取到所需的圖像，有效地提升生產(chǎn)效率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，憑借其優(yōu)勢(shì)，在一些測(cè)繪工程中也逐步用無人機(jī)攝影測(cè)量代替了一些傳統(tǒng)的測(cè)量手段[4]。如在道路橋梁工程的前期勘測(cè)中，原先采用的是傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)字測(cè)圖，由于測(cè)量范圍廣，地形復(fù)雜，造成測(cè)量進(jìn)度緩慢，有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)測(cè)量人員人身安全問題，現(xiàn)在采用無人機(jī)攝影測(cè)量大大縮短了時(shí)間，節(jié)約了人力物力。目前無人機(jī)攝影測(cè)量可以完成1∶500數(shù)字測(cè)圖，并且也有案例成功將根據(jù)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行的三維建模技術(shù)應(yīng)用到城市測(cè)圖中，應(yīng)用到不動(dòng)產(chǎn)變更測(cè)量中[5-7]。

2 房地一體化項(xiàng)目傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)方法

常規(guī)的房地一體化項(xiàng)目需要提前制作工作底圖，一般選用大比例尺（1∶500～1∶2 000）的地形圖、正射影像圖或已有地籍圖及宗地圖作為基礎(chǔ)圖件，地形測(cè)量利用全站儀與RTK以1∶500的比例尺進(jìn)行全野外解析法測(cè)量，利用解析法完成界址測(cè)量與房產(chǎn)測(cè)量，再利用測(cè)量CASS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，技術(shù)路線流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)方法技術(shù)路線圖

3 無人機(jī)在房地一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用

利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行房地一體化調(diào)查，可以省略工作底圖的制作，利用航拍影像生成的三維模型進(jìn)行權(quán)屬調(diào)查，通過模型的線劃處理獲得宗地面積、界址點(diǎn)坐標(biāo)以及房產(chǎn)面積等數(shù)據(jù)。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 無人機(jī)方法技術(shù)路線圖

利用無人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)攝影測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)三維模型的建立，結(jié)合模型數(shù)據(jù)來進(jìn)行權(quán)屬調(diào)查，有利于權(quán)屬調(diào)查的辨別與判斷，同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量，用于不動(dòng)產(chǎn)的量算，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)攝影測(cè)量在房地產(chǎn)一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用，促進(jìn)房地一體化項(xiàng)目的開展。

3.1 明確相關(guān)技術(shù)質(zhì)量要求

各相關(guān)技術(shù)精度要求嚴(yán)格按照下發(fā)的湘自然資辦發(fā)〔2020〕75號(hào)文件執(zhí)行，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)見表1，界址點(diǎn)和房角點(diǎn)測(cè)量精度指標(biāo)見表2。

表1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

表2 解析界址點(diǎn)和房角點(diǎn)測(cè)量精度指標(biāo)

3.2 飛行工作

飛行前對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘，飛行攝影前需要做好像控點(diǎn)的布設(shè)，像控點(diǎn)的坐標(biāo)可通過GPS測(cè)量獲得。選擇合適的無人機(jī)與攝影儀，選定合適的無人機(jī)起降點(diǎn)，提前做好航線規(guī)劃，提前通過天氣預(yù)報(bào)了解天氣情況，確定適合的時(shí)間。其中，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)選擇不被遮擋、對(duì)天通視良好且容易明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。飛行的各項(xiàng)參數(shù)可在試飛階段實(shí)驗(yàn)完成，確定航線規(guī)劃、拍攝高度和傾斜角度等的最佳參數(shù)。飛行時(shí)注意做好安全防護(hù)措施，無人機(jī)攝影要有經(jīng)驗(yàn)的飛行手進(jìn)行操作，按照準(zhǔn)備工作確定的各項(xiàng)參數(shù)輸入控制平板，操作無人機(jī)起飛執(zhí)行任務(wù)，直至任務(wù)完成。任務(wù)完成后檢查影像質(zhì)量，如有漏洞及時(shí)補(bǔ)測(cè)，補(bǔ)測(cè)相機(jī)參數(shù)設(shè)置要一致。

3.2.1 無人機(jī)的選用

無人機(jī)的選用是否合理是無人機(jī)攝影測(cè)量能否實(shí)施的前提。根據(jù)精度要求、場(chǎng)地情況和天氣情況，續(xù)航能力要求等的不同，無人機(jī)選用的要求也會(huì)不同。本項(xiàng)目由于位于城郊區(qū)，房屋周邊情況比較復(fù)雜，因此需要續(xù)航能力比較強(qiáng)、速度快的無人機(jī)，此外還要求無人機(jī)操作簡(jiǎn)單且運(yùn)輸攜帶方便，同時(shí)要求采用RTK定位，能自動(dòng)感知障礙物，定點(diǎn)起降，精準(zhǔn)作業(yè)，以滿足測(cè)圖要求。

綜合考慮，本次項(xiàng)目采用大疆的精靈4 RTK搭載五向鏡頭，此款無人機(jī)將厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)結(jié)合在一起，小巧便攜，既滿足了航測(cè)的精度又提高了效率，同時(shí)還減少了作業(yè)成本。對(duì)于建圖作業(yè)來說，精度與效率至關(guān)重要。其攜帶的RTK功能多頻多系統(tǒng)高精度RTK GNSS能達(dá)到定位精度：垂直1.5 cm+1 ppm（RMS）；水平1 cm+1 ppm（RMS），滿足GB/T 7930—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測(cè)量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求，可以做到免像控布設(shè)進(jìn)行測(cè)量，具體關(guān)鍵指標(biāo)見表3。

表3 精靈4RTK無人機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)

3.2.2 航線規(guī)劃

航線的規(guī)劃是無人機(jī)攝影測(cè)量的關(guān)鍵，合理與否決定了影像的完整度與冗余度是否符合要求。航線間距過大，會(huì)造成局部攝影不全，反之航線間距過小，雖保證了影像的完整卻造成了時(shí)間的浪費(fèi)以及不必要的工作量增加，因此航空攝影測(cè)量規(guī)范對(duì)影像重疊度有明確要求，為滿足航測(cè)成圖的要求，一般規(guī)定見表4，如果地形起伏較大，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高重疊度值[8]。

表4 重疊度一般要求

然而結(jié)合目前無人機(jī)傾斜攝影要完成的項(xiàng)目來看，成圖比例尺大，精度要求高，因此一般規(guī)定的重疊度滿足不了項(xiàng)目要求。根據(jù)三維傾斜數(shù)據(jù)的處理經(jīng)驗(yàn)來看，基于像控點(diǎn)約束，為了滿足房屋測(cè)量采集項(xiàng)目高精度的要求，傾斜影像應(yīng)獲取地面分辨率優(yōu)于2 cm的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)其航向、旁向重疊度一般建議優(yōu)于70%，以確保三維模型的效果。而當(dāng)測(cè)區(qū)存在高樓時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)加大重疊度，保證高層建筑的模型效果。對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域，則應(yīng)根據(jù)地形變高飛行，保證測(cè)區(qū)內(nèi)大部分地物的分辨率都優(yōu)于2 cm，以此來保證三維模型的效果及精度。

結(jié)合本次項(xiàng)目測(cè)區(qū)踏勘的情況分析，設(shè)計(jì)地面分辨率為1.7 cm，航高為100 m，航向重疊度為85%，旁向重疊度為70%，每個(gè)架次預(yù)計(jì)飛行時(shí)間約為30 min。將測(cè)區(qū)范圍線導(dǎo)入無人機(jī)管家軟件內(nèi)，軟件自動(dòng)生成滿足測(cè)區(qū)地形情況和精度要求的最佳航線。

3.3 無人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理包括傾斜三維建模及數(shù)據(jù)處理分析。具體為：將攝影質(zhì)量合格的影像導(dǎo)入專門的軟件中，通過導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)、匹配坐標(biāo)系、空中三角測(cè)量和空三解算等操作進(jìn)行三維建模。根據(jù)建立的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)線劃處理，線劃提取過程中做到不變性、不移位、無錯(cuò)漏。最后根據(jù)線劃的數(shù)據(jù)利用軟件計(jì)算分析獲得對(duì)應(yīng)的界址點(diǎn)坐標(biāo)、房產(chǎn)面積等不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)。

三維建模：采用合適的無人機(jī)攝影測(cè)量建模軟件是房地一體化調(diào)查的重要步驟。利用軟件功能生成實(shí)景模型，為調(diào)查對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)的調(diào)查人員可以快速判斷并完成對(duì)應(yīng)的房地調(diào)查。本項(xiàng)目采用Smart3D軟件進(jìn)行傾斜攝影、空中三角測(cè)量計(jì)算與三維建模。具體空三建模流程如圖3所示。

圖3 空三建模流程

由于測(cè)區(qū)大，重疊度高，數(shù)據(jù)多、任務(wù)量較大，因此將測(cè)區(qū)分割成多塊進(jìn)行內(nèi)業(yè)建模以加快處理數(shù)據(jù)的速度。建模分塊的大小以及重疊度要結(jié)合測(cè)區(qū)范圍大小與軟件性能來確定，最后根據(jù)測(cè)區(qū)大小確定生成三維成果的范圍，并使用kml格式的范圍線數(shù)據(jù)對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行約束，模型成果輸出為OSGB格式。部分范圍模型效果如圖4所示。

圖4 測(cè)區(qū)三維模型效果

特征點(diǎn)提取：本項(xiàng)目利用map3D軟件進(jìn)行線化提取，生成dwg地形圖，在畫圖過程中遇到分辨不出的地物要做好標(biāo)識(shí)，需要開展外業(yè)測(cè)繪補(bǔ)充完善，線化提取部分成果如圖5所示，線化提取后還需利用CASS軟件對(duì)圖形進(jìn)行修整。

圖5 線化提取成果

3.4 精度檢驗(yàn)

從測(cè)區(qū)按比例抽取地物進(jìn)行野外測(cè)繪其房屋界址點(diǎn)坐標(biāo)、房屋邊線長度以及面積，經(jīng)檢查符合規(guī)范精度要求。

4 結(jié)束語

無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展加深了在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，其高效率的工作方式比傳統(tǒng)測(cè)量方式節(jié)約了大量的人力物力，大大縮短了工期。但是由于其精度以及成本問題，在選用測(cè)量技術(shù)方法時(shí)，還要結(jié)合項(xiàng)目具體的特點(diǎn)以及綜合成本來考慮。此外在選用無人機(jī)攝影測(cè)量方法時(shí)要選擇合適的無人機(jī)以及三維建模軟件，采用合適的方法得到滿足技術(shù)要求的數(shù)據(jù)成果。