單鏡頭無人機(jī)在多測合一中的應(yīng)用研究

李施偉

(南通市房產(chǎn)管理測繪隊(duì),江蘇 南通 226001)

0 引言

近年來,我國多省有關(guān)部門出臺了《關(guān)于全面推進(jìn)工程建設(shè)項(xiàng)目“多測合一”改革的指導(dǎo)意見》,將工程建設(shè)項(xiàng)目涉及的測繪業(yè)務(wù)按立項(xiàng)用地規(guī)劃許可、工程建設(shè)許可、施工許可、竣工驗(yàn)收許可4個階段劃分。并根據(jù)測繪事項(xiàng)時序關(guān)系和委托主體差異,將工程建設(shè)項(xiàng)目“多測合一”事項(xiàng)進(jìn)一步歸集整合,調(diào)整為兩個綜合測繪事項(xiàng),即將用地預(yù)審與選址審批、供地、不動產(chǎn)登記(凈地)等環(huán)節(jié)涉及的測繪業(yè)務(wù)整合為一個“用地階段”綜合測繪事項(xiàng);將工程規(guī)劃許可、施工許可、規(guī)劃驗(yàn)線、房屋預(yù)售、規(guī)劃核實(shí)、不動產(chǎn)登記、房產(chǎn)實(shí)測等環(huán)節(jié)測繪業(yè)務(wù)整合為一個“施工階段”綜合測繪事項(xiàng),進(jìn)而提高測繪效率,減輕建設(shè)單位負(fù)擔(dān)。

隨著多測合一工作方式的有效推進(jìn),各類相關(guān)測繪作業(yè)效率得到了較大提升,同時也對測繪作業(yè)方式和成果質(zhì)量有了更高的要求。傳統(tǒng)的測繪作業(yè)采用全站儀、RTK進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,作業(yè)效率低,難以滿足多測合一高效作業(yè)的需求。近年來,無人機(jī)航測技術(shù)取得突破性發(fā)展,傾斜模型的建模速度、建模精度都大大提高,使得低成本快速采集高精度野外數(shù)據(jù)成為可能。但是傳統(tǒng)的傾斜攝影測量通常使用航片或多相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測量,經(jīng)濟(jì)成本高且操作復(fù)雜。無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量成為一種更為靈活、高效和經(jīng)濟(jì)的測量方法,其結(jié)合了無人機(jī)的機(jī)動性和傾斜攝影技術(shù)的高精度測量能力,為多測合一中的應(yīng)用提供了全新的解決方案[1-3]。

1 多測合一相關(guān)概述

“多測合一”是指將在行政審批中的同一個建設(shè)工程項(xiàng)目所涉及的測繪業(yè)務(wù),由原多項(xiàng)測繪合并為一個綜合性聯(lián)合測繪項(xiàng)目。同一個工程建設(shè)項(xiàng)目在辦理規(guī)劃用地、房產(chǎn)、綠化、人防、道路、消防等行政審批過程中,所涉及的工程測量(包括控制測量、地形測量、規(guī)劃測量、地下管線測量)、不動產(chǎn)測繪(包括地籍測繪、房產(chǎn)測繪)等多項(xiàng)測繪業(yè)務(wù),由工程建設(shè)項(xiàng)目業(yè)主選擇一家具備相應(yīng)測繪資質(zhì)的服務(wù)機(jī)構(gòu)承擔(dān),并在行政審批中按要求分別向?qū)徟块T推送并運(yùn)用測繪成果。而傾斜攝影測量技術(shù)在多測合一中具有重要作用,該技術(shù)能構(gòu)建高分辨率傾斜實(shí)景模型,還能與其他傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,為各應(yīng)用領(lǐng)域的決策和規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持[4]。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

實(shí)驗(yàn)測區(qū)位于N市某鄉(xiāng)鎮(zhèn),測區(qū)總面積約為7 km2,現(xiàn)擬開展高精度傾斜航攝,建立測高精細(xì)實(shí)景三維模型,進(jìn)而圍繞自然資源信息,開展自然資源大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)與應(yīng)用。本項(xiàng)目依托N市區(qū)域規(guī)劃建設(shè)的需求,由自然資源部經(jīng)濟(jì)管理科學(xué)研究所與N市測繪研究院聯(lián)合承擔(dān)其傾斜攝影測量模型生產(chǎn)及相關(guān)地形圖的建設(shè)與應(yīng)用任務(wù)。項(xiàng)目擬采用大疆經(jīng)緯M600pro單鏡頭無人機(jī),測區(qū)內(nèi)平均分布像控點(diǎn)8個/km2～12個/km2,地面與房角檢查點(diǎn)共布設(shè)60個,用于滿足項(xiàng)目生產(chǎn)需求。

2.2 航線規(guī)劃

一般多鏡頭航攝并使用無人機(jī)鏡頭垂直下視和前后左右共5個方向進(jìn)行“Z”字型航攝飛行,是目前單鏡頭模擬傾斜攝影測量最常用的航線規(guī)劃方式,但是這種作業(yè)手段會增加航攝起降次數(shù)和影像采集數(shù)據(jù)量,后期數(shù)據(jù)處理需要人工添加控制點(diǎn)環(huán)節(jié)會極大增加工作量降低效率,因而本文使用十字交叉傾斜航攝方法,模擬雙鏡頭進(jìn)行45°和70° 2個方向傾斜影像數(shù)據(jù)采集,減少影像拉伸和遮擋。相關(guān)示意圖如圖1所示。

本次實(shí)驗(yàn)無人機(jī)作業(yè)時間為上午9點(diǎn)—下午15點(diǎn),在該時間段內(nèi),測區(qū)內(nèi)天氣晴朗,光線適中,偶有薄云,1級—2級微風(fēng),適合飛行。項(xiàng)目設(shè)計(jì)航高為130 m(遇高層時為260 m),地面分辨率(GSD)為1.5 cm,航向/旁向重疊度為80%/75%,累計(jì)飛行8個架次,航飛速度為7.8 m/s,單架次飛行時間約25 min,共獲取2 300余張影像,航片影像清晰、色彩均勻,滿足本次項(xiàng)目的使用要求[5-6]。外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集實(shí)際航線如圖2所示。

2.3 實(shí)景三維建模

實(shí)驗(yàn)實(shí)景三維建模應(yīng)用的是大疆智圖軟件,首先進(jìn)入軟件,“新建任務(wù)”并填寫任務(wù)名稱,然后導(dǎo)入影像文件夾;重建類型選擇“三維模型”,建圖場景選擇“普通場景”,重建清晰度選擇“高”,然后進(jìn)行空三重建;接著進(jìn)行像控點(diǎn)管理,像控點(diǎn)坐標(biāo)系選擇CGCS2000,導(dǎo)入像控點(diǎn)文件,再進(jìn)行刺點(diǎn),在每個帶有控制點(diǎn)的圖片上進(jìn)行刺點(diǎn),每個控制點(diǎn)選擇15個～20個圖片進(jìn)行刺點(diǎn),刺完后,輔助進(jìn)行空三優(yōu)化;然后退出像控點(diǎn)管理,通過特征提取和匹配算法,將影像中的像素點(diǎn)與其在實(shí)際空間中的位置進(jìn)行匹配,生成密集點(diǎn)云數(shù)據(jù);最后將紋理信息與三維模型融合,得到測區(qū)實(shí)景三維模型,如圖3所示。

3 精度評定及應(yīng)用分析

實(shí)驗(yàn)為檢驗(yàn)重構(gòu)實(shí)景模型的數(shù)據(jù)精度,應(yīng)用全站儀進(jìn)行實(shí)測校驗(yàn),共選取35個點(diǎn)位進(jìn)行比對檢驗(yàn)。重建的實(shí)景三維模型坐標(biāo)與RTK和全站儀校驗(yàn)坐標(biāo)進(jìn)行對比,如表1所示。

表1 校對點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 m

結(jié)合表1計(jì)算公式,最終計(jì)算得到檢測中誤差5.7 cm,最大較差為6.8 cm,最小較差為1.0 cm,滿足“多測合一”的精度要求。此外,為進(jìn)一步檢驗(yàn)本文提出方法的精度是否可靠,本文隨機(jī)選取測區(qū)50個特征區(qū)域進(jìn)行精度驗(yàn)證,五鏡頭相機(jī)和單鏡頭相機(jī)硬件配置完全相同,實(shí)測邊長采用全站儀現(xiàn)場測量[7-8],對比結(jié)果見表2。

表2 邊長測量結(jié)果精度對比 m

通過表2可以看出,邊長精度驗(yàn)證上,單鏡頭無人機(jī)精度稍低于五鏡頭無人機(jī)測量結(jié)果,但是兩者差距不大,雖然本項(xiàng)目建立的實(shí)景三維模型精度滿足相關(guān)應(yīng)用要求,但是單鏡頭無人機(jī)在外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)實(shí)景三維建模中,仍需要注意以下幾點(diǎn):

1)由于白天的電磁輻射和陽光輻射等原因,會在一定程度影響網(wǎng)絡(luò)信號,進(jìn)而造成RTK測量儀所測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況,所以為了提高測量的數(shù)據(jù)精度,可以在前一天晚上或者當(dāng)天早晨進(jìn)行檢查點(diǎn)坐標(biāo)測量。2)在天氣良好的情況下進(jìn)行采集,避免中午暴曬、光線過暗、降雨等情況下進(jìn)行采集。3)內(nèi)業(yè)處理上,若遇到空三分層的情況,可以考慮第一遍空三設(shè)置中位置和姿態(tài)選擇平差調(diào)整,徑向畸變和切向畸變選擇保持;第二遍空三的時候位置和姿態(tài)選擇重新計(jì)算,徑向畸變和切向畸變依舊選擇保持。4)要實(shí)現(xiàn)免像控,必須滿足三個條件:一是航片具有高精度POS;二是高精度POS在空三軟件里面具有很高的權(quán)重,即當(dāng)成已知點(diǎn)參與空三;三是無人機(jī)相機(jī)畸變參數(shù)要精確標(biāo)定。

本項(xiàng)目最終目的是以N市實(shí)景三維模型成果為基礎(chǔ)底圖,建設(shè)N市自然資源大數(shù)據(jù)平臺。因此,首先基于三維模型采集的矢量范圍,對三維模型邊緣變形區(qū)域進(jìn)行裁剪,并將三維模型邏輯單體化,為后期高精度地形數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)、國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)、CAD地形圖、竣工數(shù)據(jù)和地籍?dāng)?shù)據(jù)等各類自然資源信息綜合管理等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除了以上相關(guān)應(yīng)用外,還可以將地上實(shí)景三維模型與地下管線相結(jié)合,構(gòu)建城市自然資源三維立體一張圖,實(shí)現(xiàn)城市自然資源地上、地下全方位管理與服務(wù)。

4 結(jié)論

本文通過對單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用研究,通過對無人機(jī)的飛行軌跡、相機(jī)參數(shù)和外業(yè)環(huán)境選擇的優(yōu)化,以提高單鏡頭實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。最后通過實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證,單鏡頭無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)同樣可以實(shí)現(xiàn)更全面、準(zhǔn)確和可靠的測量結(jié)果,研究結(jié)果為多測合一提供了有力的支持和推動。