房地一體測(cè)繪中無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

李永紅

［廣州市從化區(qū)規(guī)劃和測(cè)繪地理信息中心（廣州市從化區(qū)地下管線信息管理中心），廣東 廣州 510000］

0 引言

在房地一體化工程持續(xù)推進(jìn)的背景下，測(cè)繪工作涉及的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，所以對(duì)測(cè)量方法的要求越來(lái)越高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，不僅應(yīng)用成本較低、測(cè)量效率較高，且測(cè)量數(shù)據(jù)十分精準(zhǔn)。但由于這一技術(shù)屬于新型技術(shù)，因此，相關(guān)行業(yè)還應(yīng)重點(diǎn)探究此技術(shù)在房地一體測(cè)繪中應(yīng)用的可行性和效果。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)指的是基于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，傾斜攝影，對(duì)地物數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并以3D 形式呈現(xiàn)。這一技術(shù)目前在測(cè)量工作中較為常用。3D 形式數(shù)據(jù)主要涉及地物坐標(biāo)、地物外觀以及地物幾何數(shù)據(jù)等。應(yīng)用具備多源數(shù)據(jù)加載功能的平臺(tái)對(duì)3D 模型予以構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)測(cè)繪效果。以技術(shù)分類角度分析，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量歸屬航空攝影測(cè)量領(lǐng)域，但相較于以往采用的航空攝影技術(shù)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)還存在較大差異，傳統(tǒng)技術(shù)傳感器方向單一，僅可基于垂直角度對(duì)地物進(jìn)行拍攝，而通過(guò)無(wú)人機(jī)承載不同方向傳感器，可從多角度獲取影像信息，得到3D 空間數(shù)據(jù)。而且，無(wú)人機(jī)具有體積較小、靈動(dòng)性較高的特點(diǎn)，所以在小型地物測(cè)繪中更為適用。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在房地一體測(cè)繪中的應(yīng)用內(nèi)容

2.1 儀器設(shè)備選用

現(xiàn)階段，常見(jiàn)無(wú)人機(jī)類型有固定翼無(wú)人機(jī)，單旋翼無(wú)人機(jī)，多旋翼無(wú)人機(jī)，單旋翼、固定翼混合垂直起降無(wú)人機(jī)4 種。在這4 種類型無(wú)人機(jī)中，多旋翼無(wú)人機(jī)不僅體型較小、功率較低，且便于懸停，所以更適用于房地一體測(cè)繪作業(yè)。由于測(cè)繪作業(yè)要求無(wú)人機(jī)具備較高穩(wěn)定性，還應(yīng)合理限定無(wú)人機(jī)本身各項(xiàng)參數(shù)。本文研究以大疆M600 六旋無(wú)人機(jī)為主，導(dǎo)航和控制采用A3 飛控，其飛行載重為6kg，懸停垂直精度和水平精度分別為0.5m、1.5m，飛行速度為18m/s，飛行高度最高可達(dá)2500m，智能電池6 塊，續(xù)航時(shí)間在30min 左右。無(wú)人機(jī)上傳感器傾斜攝影系統(tǒng)選用睿鉑DG3，相機(jī)設(shè)備選用索尼ILCE-5100，下視鏡頭焦距和傾斜相機(jī)鏡頭焦距分別為27.6mm、40mm，像幅23.5mm×15.6mm，像元分辨率0.00392mm[1]。

2.2 航線規(guī)劃

（1）確定航高。無(wú)人機(jī)飛行高度不僅決定著飛行安全，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量造成影響。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影航向規(guī)劃中，確定航高屬于基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。結(jié)合地形情況和安全飛行條件，對(duì)基準(zhǔn)面高度予以確定。基于地形圖上高點(diǎn)平均高程和低點(diǎn)平均高程，計(jì)算攝影分區(qū)基準(zhǔn)面高程。依據(jù)航拍攝像機(jī)焦距、像元尺寸以及地面分辨率要求，計(jì)算航高。

（2）敷設(shè)航線。通常情況下，航線采用井字型。在分析實(shí)地高程情況的前提下，結(jié)合傾斜攝影精度要求，對(duì)航線間隔和航高予以明確。首末航線在攝區(qū)邊界線外敷設(shè)，并與攝區(qū)邊界線保持平行。在航線規(guī)劃中，應(yīng)對(duì)總航程、總飛行時(shí)間、電池容量、攝影總面積等方面進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)，評(píng)估天氣情況，包括風(fēng)向、風(fēng)力等。航線旁向應(yīng)與攝影區(qū)邊界重疊，并保證旁向重疊在50%像幅以上，至少超出基線2 條。

2.3 航攝數(shù)據(jù)處理

航攝影像具有無(wú)序性，應(yīng)通過(guò)空三解算，使其與空間對(duì)應(yīng)，并建立與真實(shí)狀態(tài)相符的實(shí)景模型?？杖馑愕哪康?，在于通過(guò)攝像對(duì)連接點(diǎn)和部分地面控制點(diǎn)進(jìn)行匹配提取，進(jìn)而在控制點(diǎn)地面坐標(biāo)系中納入所有區(qū)域，對(duì)影像外方位元素地面坐標(biāo)、加密點(diǎn)地面坐標(biāo)予以獲取。在解算處理前，需要采集外業(yè)數(shù)據(jù)，測(cè)量像控點(diǎn)、像控檢查點(diǎn)。針對(duì)航攝數(shù)據(jù)的處理，本文主要采用Smart3D 軟件。通過(guò)這一軟件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)空三解算，將POS 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，待空三加密操作后提取和匹配特征，并平差優(yōu)化，以優(yōu)化相機(jī)內(nèi)方位，進(jìn)而基于像控點(diǎn)信息的利用再次加密，同時(shí)為使解算精度得到提高，對(duì)相機(jī)參數(shù)、定位數(shù)據(jù)以及影像質(zhì)量等方面進(jìn)行處理，保證解算結(jié)果滿足空三精度1:500 的要求，最后可視化呈現(xiàn)解算成果[2]。

2.4 實(shí)景模型構(gòu)建

影像數(shù)據(jù)量較大，如果所用計(jì)算機(jī)性能不足，會(huì)對(duì)模型建立造成影響，所以先基于Smart3D 軟件來(lái)分塊處理整理數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)密集點(diǎn)云生成、三角網(wǎng)模型建立、紋理映射后，實(shí)現(xiàn)模型重構(gòu)。以空三解算結(jié)果為依據(jù)，匹配多視影像，并對(duì)影像特征點(diǎn)進(jìn)行檢索，待明確矢量數(shù)據(jù)后進(jìn)行映射處理、濾波處理、融合處理等，以生成密集點(diǎn)云。結(jié)合匹配的線元素，對(duì)三角網(wǎng)曲面予以構(gòu)建，基于曲面曲度變化的利用，使模型數(shù)據(jù)得到簡(jiǎn)化，并將數(shù)據(jù)封裝，建立3D 白膜模型，進(jìn)而在紋理映射的基礎(chǔ)上，在白膜模型貼圖，完成實(shí)景模型構(gòu)建，三維實(shí)景模型如圖1 所示。

2.5 矢量數(shù)據(jù)采集

實(shí)景模型數(shù)據(jù)格式為OSGB，利用EPS 測(cè)圖軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加載，采用2D、3D 聯(lián)動(dòng)裸眼模式來(lái)采集數(shù)據(jù)?；贓PS 軟件可實(shí)現(xiàn)2D、3D 聯(lián)合工作的開(kāi)展，并對(duì)輪廓線予以直接提取，得到精確度較高的測(cè)區(qū)建筑數(shù)據(jù)，能有效提高數(shù)據(jù)采集效率，保障數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性，測(cè)區(qū)三維模型測(cè)圖界面如圖2 所示。在采集數(shù)據(jù)過(guò)程應(yīng)注重以下事項(xiàng)：①采集時(shí)應(yīng)切換視圖模式為正射或切片模式。②在對(duì)房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，應(yīng)在3D 模式下對(duì)房屋結(jié)構(gòu)予以查看，并單獨(dú)采集陽(yáng)臺(tái)部分，針對(duì)房屋邊線清晰可見(jiàn)的情況，可直接采用畫(huà)線工具，但對(duì)于房屋邊線或房角難以看清的情況，應(yīng)按邊采集，標(biāo)記無(wú)法確定的房角位置，為外業(yè)核查工作提供依據(jù)。③在點(diǎn)狀地物采集過(guò)程，應(yīng)基于正射模式對(duì)地物幾何中心點(diǎn)進(jìn)行采集，并切換切片模式對(duì)模型高度予以調(diào)整，進(jìn)而得到最佳方位，在采集時(shí)應(yīng)注重各要素之間的拓補(bǔ)關(guān)系，特別是居民地要素。④在測(cè)圖過(guò)程，針對(duì)不依比例尺的線狀地物，以中心線量測(cè)寬度為主，而對(duì)于依比例尺的地物邊線，以一般量測(cè)符號(hào)寬度為主，測(cè)圖單位為圖幅。⑤針對(duì)凹房角或存在房角難以辨識(shí)的情況，應(yīng)查看房屋拐角位置，判斷拐角模型是否處于完整狀態(tài)，進(jìn)而使用自動(dòng)垂直角點(diǎn)輔助線來(lái)檢驗(yàn)誤差，通過(guò)誤差糾正，將端點(diǎn)之間誤差控制在3cm 以下。為提高采集數(shù)據(jù)精度，在采集過(guò)程應(yīng)控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，檢核信息采集各細(xì)節(jié)，以保證地籍和房產(chǎn)的測(cè)量精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

圖2 測(cè)區(qū)三維模型測(cè)圖界面

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

本文以江蘇省常州市廟橋村為例進(jìn)行講解。廟橋村位于南夏墅街道東側(cè)，臨靠嘉鎮(zhèn)和前黃鎮(zhèn)，占地面積在2km2左右，屬于平原地區(qū)，平均海拔大約為5m，其中設(shè)有自然村17 個(gè)，擁有村民戶數(shù)1092 個(gè)。

3.1 外業(yè)踏勘

收集、分析測(cè)區(qū)資料，對(duì)設(shè)備飛行器信息、人員登記信息進(jìn)行采集，基于地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行外業(yè)踏勘，在地圖上標(biāo)記測(cè)區(qū)樓層較高的房屋，進(jìn)而合理規(guī)劃外業(yè)線路，明確飛行高度。以保障飛行安全為前提，對(duì)基站位置、飛行路線進(jìn)行規(guī)劃。在外業(yè)踏勘環(huán)節(jié)，應(yīng)與當(dāng)?shù)毓膊块T溝通對(duì)項(xiàng)目予以備案，并與重點(diǎn)單位交流。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在本測(cè)區(qū)中，航高為135m，地面分辨率為0.02m，像片旁向重疊大約為70%，航線彎曲度在3%以下，像片傾斜角和旋偏角分別不超過(guò)2°、7°。影像顏色飽和，色彩均勻，層次豐富，影像不存在云影質(zhì)量問(wèn)題。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

結(jié)合作業(yè)范圍，對(duì)像控點(diǎn)位進(jìn)行選取，間距平均在200m 左右，基于RTK 開(kāi)展外業(yè)施測(cè)作業(yè)。通過(guò)CORS系統(tǒng)來(lái)差分處理，飛行器中POS 記錄結(jié)果已經(jīng)過(guò)解算，所以無(wú)須二次解算操作。針對(duì)解算結(jié)果，利用Terra Solid軟件來(lái)檢查質(zhì)量。首先，檢查數(shù)據(jù)能否覆蓋全測(cè)區(qū)；其次，檢查航帶之間重疊是否超過(guò)70%，是否存在遺漏問(wèn)題；最后，檢查航帶拼接能否支撐后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作的開(kāi)展，控制誤差小于0.05m，針對(duì)誤差超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的情況，回到數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，對(duì)數(shù)據(jù)予以重新解算[4]。

3.4 模型構(gòu)建

待解算結(jié)果完成質(zhì)量檢查后，在Smart3D 軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，通過(guò)空三解算，對(duì)模型予以構(gòu)建，在這一過(guò)程中，需要保證模型具有分明棱角和清晰紋理，以3D形式完整呈現(xiàn)測(cè)區(qū)場(chǎng)景。

3.5 模型測(cè)圖

在EPS 軟件中導(dǎo)入測(cè)區(qū)3D 模型，對(duì)地物真實(shí)位置予以判斷，分析地物結(jié)構(gòu)特征，并基于人機(jī)交互切片工具的應(yīng)用，對(duì)房屋房角進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉，完成房屋結(jié)構(gòu)輪廓的獲取，利用2D、3D 聯(lián)動(dòng)裸眼模式采集房屋數(shù)據(jù)，保證房屋和房檐邊線清晰可見(jiàn)，針對(duì)未顯現(xiàn)的房屋拐角，以倒角方式對(duì)拐角位置坐標(biāo)予以計(jì)算，也可開(kāi)展外業(yè)作業(yè)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，進(jìn)而繪制地籍圖，以dwg 格式導(dǎo)出，檢查導(dǎo)出地籍圖質(zhì)量。待質(zhì)量檢查完成且經(jīng)過(guò)外業(yè)校核后，分層處理地籍圖，得到房產(chǎn)圖數(shù)據(jù)，同時(shí)，結(jié)合照片識(shí)別房屋附屬結(jié)構(gòu)，包括陽(yáng)臺(tái)、露臺(tái)、飄樓以及走廊等，并判斷其狀態(tài)是開(kāi)或是閉[5]。

3.6 精度分析

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用效果，在外業(yè)應(yīng)用RTK 全站儀，對(duì)內(nèi)業(yè)模型測(cè)圖結(jié)果精確性進(jìn)行檢驗(yàn)。本測(cè)區(qū)航攝檢查平面點(diǎn)位和高程點(diǎn)位分別30 個(gè)，其中，點(diǎn)平面位置中誤差、最大誤差分別為0.0359m 和0.088m，高程中誤差、最大誤差分別為0.0282m 和0.068m，經(jīng)檢驗(yàn)，點(diǎn)位精度滿足標(biāo)準(zhǔn)精度要求，點(diǎn)位建模精度如圖3 所示。同時(shí)，對(duì)模型測(cè)圖邊長(zhǎng)精確性進(jìn)行檢驗(yàn)，隨機(jī)選擇房屋30 處，基于測(cè)距儀對(duì)邊長(zhǎng)予以實(shí)地量測(cè)，進(jìn)而結(jié)合模型數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)定邊長(zhǎng)精度，邊長(zhǎng)監(jiān)測(cè)較差如圖4 所示，兩者偏差值處于±6cm 范圍，對(duì)30 條房屋界址邊長(zhǎng)開(kāi)展高精度量測(cè)，殘差最大值和最小值分別為0.054m 和0.007m，與二級(jí)精度指標(biāo)要求相符。

圖3 點(diǎn)位建模精度

圖4 邊長(zhǎng)監(jiān)測(cè)較差

總體來(lái)講，在房地一體測(cè)繪中應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，成果成圖精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，相較于傳統(tǒng)測(cè)量方式，具有測(cè)量效率、精準(zhǔn)度較高的優(yōu)勢(shì)。邊長(zhǎng)精度中誤差為2～3cm，平面精度大約75%小于4cm，誤差超過(guò)4cm 的原因：①房屋四周存在遮擋物致使模型構(gòu)建質(zhì)量較低。②作業(yè)人員測(cè)圖經(jīng)驗(yàn)較少導(dǎo)致采集質(zhì)量較差。所以，為保證成圖精確度，應(yīng)確保模型質(zhì)量和作業(yè)人員專業(yè)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)探究無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在房地一體測(cè)繪中的應(yīng)用，其中包括儀器設(shè)備選用、航線規(guī)劃、航攝數(shù)據(jù)處理、實(shí)景模型構(gòu)建以及矢量數(shù)據(jù)采集5 個(gè)部分內(nèi)容，進(jìn)而以江蘇省常州市廟橋村為例對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析，以期指導(dǎo)相關(guān)行業(yè)人員在房地一體測(cè)繪中合理應(yīng)用此技術(shù)。