無人機傾斜攝影在不動產(chǎn)測量的應用

鄒 馨 劉 健 陳曉勇

(1. 東華理工大學測繪工程學院, 江西 南昌 330013；2. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院數(shù)字地球重點實驗室, 北京 100094)

0 引言

不動產(chǎn)測量是在不動產(chǎn)管理工作中的重要內(nèi)容,通過對不動產(chǎn)的量測為不動產(chǎn)登記和城市規(guī)劃提供數(shù)據(jù)[1]。目前,在不動產(chǎn)測量方法上多以全站儀與全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)-網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)組合測量為主,該方法作業(yè)簡便安全,比較穩(wěn)定,但作業(yè)速度慢,外業(yè)工作強度大,內(nèi)外協(xié)同效率低下將極大地影響不動產(chǎn)統(tǒng)一登記的質(zhì)量和進度。時間長、任務多、要求高的測量工作也容易造成工作人員精力不足、壓力過大、效率不高、質(zhì)量欠佳的情況[2]。采用無人機進行不動產(chǎn)測量,提高了數(shù)據(jù)獲取的時效性、數(shù)據(jù)的精度,減輕外業(yè)工作負擔。目前,國家對于傾斜攝影測量控制點的布設(shè)方案還沒有出臺相應的標準,按照常規(guī)攝影測量的外業(yè)規(guī)范布設(shè)控制點會降低工作效率且提高生產(chǎn)成本。

國內(nèi)有學者研究傾斜攝影控制點布設(shè)密度與模型精度的關(guān)聯(lián)性以及在不動產(chǎn)測量中的應用。唐楨、劉光鑫[3]總結(jié)得出定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system, POS)數(shù)據(jù)以及控制點數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量,可以很大程度上提高傾斜影像連接點的提取效率,提高傾斜攝影三維建模的效率和精度；Gerke M和Przybilla H J[4]基于配置RTK的無人機常規(guī)航空攝影,分析了控制點數(shù)量對空三精度的影響；成李博等[5]研究控制點布設(shè)均勻性對三維模型精度的影響,得出增加像控點的均勻性會提高模型的精度；趙艷玲等[6]研究不同控制點布設(shè)方案對成圖精度發(fā)影響,研究表明控制點個數(shù)增加的同時成圖精度也在增加,當控制點增加到一定數(shù)量時精度趨于穩(wěn)定；周勝潔等[7]分析了不同像控點的布設(shè)方案對空三精度的影響,得出在周邊與區(qū)域內(nèi)部適當均勻布設(shè)控制點的“傾斜攝影區(qū)域布控法”為最優(yōu)像控布設(shè)方式；趙國梁等[8]以西安市長安區(qū)任家莊村1∶500不動產(chǎn)測量為例,說明該技術(shù)可以滿足1∶500不動產(chǎn)測量和地籍測量的需要。

隨著免像控技術(shù)的出現(xiàn)[9-10],本文研究免像控以及像控點的個數(shù)是否影響基于三維模型采集的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)。本文以河北省張家口市懷來縣某地為試驗區(qū),在該區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)像控點。系統(tǒng)地介紹了在無像控點和有像控點情況下的數(shù)據(jù)采集,外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到不同情況下的三維模型,基于三維模型采集宗地面等不動產(chǎn)數(shù)據(jù),并對采集數(shù)據(jù)與RTK實地測量數(shù)據(jù)進行精度對比,分析免像控點和有像控點在不動產(chǎn)測量中的應用精度。

1 無人機數(shù)據(jù)采集技術(shù)及處理流程

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)基本原理

無人機傾斜攝影測量是一種新興的攝影測量技術(shù),具有更加豐富與多角度的紋理影像數(shù)據(jù)、更高的分辨率、更加寬廣的視場角,其工作原理如圖1所示。該技術(shù)采用無人機搭載多個傳感器從垂直、前后及左右五個不同角度采集待測區(qū)的影像,通過對影像建模得到三維模型[11-14]。

1.2 無人機數(shù)據(jù)處理流程

無人機數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示,主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采集,外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括無人機航測數(shù)據(jù)采集和RTK數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為三維模型的生成和界址點、界址線、宗地面等不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。

圖2 無人機數(shù)據(jù)處理流程

1.2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在無人機航飛之前,對所有的設(shè)備、裝置進行檢查,主要包括航測相機的檢校,飛機性能的檢測,電池的電量,確保設(shè)備安裝和各項設(shè)置正確無誤。收集待測區(qū)的地形地貌等自然地理信息,對測區(qū)勘探并且確定航攝區(qū)域、航線規(guī)劃、像控點的布設(shè)。像片控制點應遵循基本原則,根據(jù)測區(qū)范圍均勻布點、且盡量在旁向重疊線中線附近,聯(lián)測成平高點,保證航攝達到航向、旁向重疊度的要求。布設(shè)像控點后對其進行測量,并且選擇有利的氣象條件開展航攝,保證航攝影像質(zhì)量。

1.2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括幾何變形的影像進行糾正、格式轉(zhuǎn)換、勻色處理等。在傾斜攝影測量中,空中三角測量是串聯(lián)航測外業(yè)和內(nèi)業(yè)的一個至關(guān)重要的步驟,其目的是減少外業(yè)工作量,利用有重疊度的航攝像片,根據(jù)相關(guān)算法進行控制點加密,求得影像外方位元素、加密點的高程、平面位置,空三加密結(jié)果影響三維模型精度?？杖晒c多視影像匹配的精度息息相關(guān),由于傾斜攝影測量數(shù)據(jù)具有多視影像所具有的特點,需要通過影像密集匹配減少空中三角測量后的冗余數(shù)據(jù)信息,提取獲得多視影像同名點。再通過紋理映射將紋理與色彩貼在表面模型上,得到具有高分辨率的三維模型。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到三維模型后還需要對遮擋區(qū)、信息缺失等地物進行外業(yè)補測?；谌S模型,采用MapMatrix3D進行二、三維聯(lián)動采集數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測圖,該作業(yè)模式能實現(xiàn)全方位視圖作業(yè),對同一地物通過不同角度進行點線數(shù)據(jù)采集、坐標提取。

3 不動產(chǎn)測量數(shù)據(jù)采集

3.1 試驗區(qū)概況

本文以河北省張家口市懷來縣某個村莊為研究區(qū)域,地形為南高北低,測區(qū)面積約為112 250 m2。測區(qū)范圍內(nèi)主要地物信息為房屋建筑、道路,其中房屋建筑為居民住宅,房屋等不動產(chǎn)相對密集且房屋建筑比較整齊,部分房屋存在邊緣堆放雜物的情況。該區(qū)域內(nèi)無民用機場,飛行空域良好。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在試驗區(qū)進行無人機航線的規(guī)劃,選擇天氣晴朗、風小、能見度高等天氣狀況好的情況下,避開試驗區(qū)內(nèi)的高壓電力線和軍民航空器。本次試驗區(qū)航飛無人機使用大疆M 300RTK,搭載賽思PSDK102S五鏡頭相機進行航空影像數(shù)據(jù)采集。

大疆M 300RTK無人機飛行高度約為60 m,航向重疊度為75%,旁向重疊度是75%,最終采集航空影像5 525張。

由于測區(qū)范圍內(nèi)部分房屋存在無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)不清晰,采用RTK進行外業(yè)補測。RTK測量的數(shù)據(jù)主要包括遮擋較嚴重的房屋、人無法到達的測量地點、被樹木或者電線遮擋住的位置等情況。補全數(shù)據(jù)后,采用RTK采集不動產(chǎn)檢查點的三維數(shù)據(jù),便于與模型采集的點位數(shù)據(jù)進行精度對比。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

對外業(yè)數(shù)據(jù)整理,篩選出質(zhì)量較差的影像并剔除,然后在ContextCapture軟件中導入POS數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù),在免像控、1個像控點、4個像控點、全部像控點情況下分別進行三維模型的構(gòu)建。通過空三解算,得到空三精度報告?？杖瓿珊髽?gòu)建TIN格網(wǎng)、紋理映射等操作生成實景三維數(shù)據(jù)格式(open scene graph binary,OSGB)的實景三維模型,如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,模型上的地物無明顯變形、建筑物平整清晰,建模效果整體較好。

圖3 整體三維模型

圖4 局部三維模型

將OSGB格式的三維模型與對應的坐標文件導入MapMatrix3D軟件中,使用MapMatrix3D軟件采集三維模型的地物信息。采集過程中,通過正視和傾斜兩個視角采集數(shù)據(jù),對于獨立地物例如獨棟、規(guī)則的房屋可以選擇提取輪廓線、多點擬合邊測房采集房屋的宗地面信息,對于弧形、非直角等不規(guī)則地物切換線串、樣條等狀態(tài)進行繪制,對于房屋附著物例如廚房、圍墻等采用多點擬合修測地物進行繪制,對于圍墻、道路等其他地物信息進行對應的繪制，如圖5所示。

圖5 局部不動產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

4 精度評價

本次試驗使用相同的傾斜攝影影像在有無像控點的情況下構(gòu)建4個三維實景模型,為驗證基于三維模型采集的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)精度是否符合要求,利用外業(yè)實地打點檢查的方法對采集的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的同名點對比,檢驗不同情況下采集的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的精度。根據(jù)檢查點的點位誤差驗證無像控點和有像控點的傾斜攝影測量在不動產(chǎn)測量的精度情況,及大范圍內(nèi)不動產(chǎn)測量的可行性。

自然資源部發(fā)布《地籍調(diào)查規(guī)程》(TD/T1001—2012)[15]中對界址點精度要求如表1所示,其中一級界址點精度要求為中誤差不大于5 cm。

表1 地籍界址點的精度 單位:cm

在測區(qū)內(nèi)均勻的選取檢查點,本次共選取檢查點30個,分別包括5個地面固定地物點、5個圍墻點、20個墻角點。并采用GPS-RTK技術(shù)實地量測出布設(shè)檢查點的點位坐標,并將實測值(XRTK,YRTK,ZRTK)作為真值,同時,在實景三維模型中量測檢查點并導入ArcGIS中獲取模型采集對應的坐標并取平均值作為模型采集的坐標(X模型,Y模型,Z模型)。利用點位平面誤差公式、點位高程誤差公式、同精度中誤差對無像控和有像控情況下得到的試驗區(qū)三維模型進行點位精度、高程精度分析。

點位平面誤差計算公式為

(1)

精度中誤差為

(2)

式中,ΔSi為檢查點為實測點與模型采集點的點位平面誤差；ΔXi=RTK實測X—模型采集X；ΔYi=RTK實測Y-模型采集Y；M為平面中誤差；n為檢查點的個數(shù)。

利用GPS-RTK真值與模型采集對應值按照公式進行精度檢查,得到三維精度具體值見表2。

表2 界址點點位誤差表 單位:m

根據(jù)公式計算得到四種模型采集的平面誤差如圖6所示,免像控情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.086 m；1個像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.048 m；4個像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.041 m；全部像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.044 m。

圖6 檢查點平面誤差圖

由圖6可知,布設(shè)像控點可以提高不動產(chǎn)測量數(shù)據(jù)的精度。免像控情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.243 m、最小為0.025 m；1個像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.098 m、最小為0.018 m；4個像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.094 m、最小為0.015 m；全部像控點情況下得到的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)平面誤差最大為0.092 m、最小為0.004 m。整體上,有像控點情況下采集的平面數(shù)據(jù)接近實測數(shù)據(jù),且檢查點平面誤差起伏較相似。

5 結(jié)束語

本文利用無人機傾斜攝影測量在無像控和有像控不同情況下得到的三維度模型進行不動產(chǎn)測量進行研究,使用Smart3DCapture得到試驗區(qū)的傾斜三維攝影模型,采用MapMatrix3D軟件進行不動產(chǎn)三維數(shù)據(jù)的采集,將采集數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行精度對比，得出結(jié)論:

(1)用大疆M 300RTK無人機搭載賽思相機在飛行高度約為60 m進行無人機航攝。在有像控點情況下采集的不動產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為低于無像控點情況采集的界址點數(shù)據(jù)。個別檢查點誤差較大,但是免像控情況下的誤差滿足三級0.1 m的精度要求,在三級限差范圍內(nèi)；有像控情況下的誤差滿足一級0.05 m的精度要求,在一級限差范圍內(nèi)。

(2)是否布設(shè)控制點會影響精度,在測量范圍、地形起伏小的地區(qū)布設(shè)1個像控點可以滿足地籍調(diào)查一級精度。等級的選用應根據(jù)土地價值、開發(fā)利用程度和規(guī)劃的長遠需要而定。若對數(shù)據(jù)精度要求高則需要布設(shè)控制點,但相對耗時,可以根據(jù)精度要求及數(shù)據(jù)的緊迫程度選擇是否布設(shè)控制點。

采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取不動產(chǎn)測量數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求,在測量范圍、地形起伏小的地區(qū)布設(shè)1個像控點可以滿足地籍調(diào)查精度要求,為不動產(chǎn)量測提供高精度、高效率的測量方式。通過傾斜攝影測量得到實景三維模型,正射影像數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)對今后權(quán)籍調(diào)查有意義,且精度滿足地籍調(diào)查精度,接下來將探討地形起伏對不動產(chǎn)數(shù)據(jù)精度的影響。