無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量在地籍測(cè)量中的應(yīng)用

何淼

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519000)

1 前 言

目前很多地方開(kāi)展了農(nóng)村地籍調(diào)查的工作，外業(yè)測(cè)量及調(diào)查工作是重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的作業(yè)方法[1～3]需要大量的外業(yè)測(cè)繪人員深入現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間操作，其成本高、工作強(qiáng)度大、操作工序復(fù)雜、且耗費(fèi)工時(shí)，亟須新的作業(yè)方法和更先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)來(lái)提高作業(yè)效率和減少外業(yè)測(cè)量的工作。近期快速發(fā)展的無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)可針對(duì)性解決該問(wèn)題[4～11]。珠海市測(cè)繪院承接了較多農(nóng)村地籍調(diào)查項(xiàng)目，為把握技術(shù)前沿，已在近期幾個(gè)項(xiàng)目中采用了無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，并取得較好的實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)查方式手段效率大大提高。

2 傳統(tǒng)農(nóng)村地籍調(diào)查的方法

解析法和圖解法是目前農(nóng)村地籍調(diào)查的主要方法。簡(jiǎn)而言之，解析法就是先數(shù)字化測(cè)圖后再調(diào)查，圖解法則是在正射影像圖作為底圖的基礎(chǔ)上展開(kāi)調(diào)查。兩種方法各有優(yōu)缺，解析法較圖解法精度高，但是工期較長(zhǎng)，圖解法精度較低，但工作時(shí)間短。方法的選擇需結(jié)合實(shí)際作業(yè)地區(qū)的情況，發(fā)達(dá)地區(qū)和中心城區(qū)一般使用精度更高的解析法，圖解法因其操作簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于邊遠(yuǎn)山區(qū)。

2.1 解析法

以滿(mǎn)足農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證工作為出發(fā)點(diǎn)，充分利用已有地籍調(diào)查成果和登記成果，開(kāi)展宅基地、集體建設(shè)用地和零星國(guó)有建設(shè)用地土地權(quán)屬調(diào)查、農(nóng)房調(diào)查和地籍測(cè)量，總體技術(shù)路線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1 解析法農(nóng)村地籍調(diào)查流程圖

2.2 圖解法

以高分影像成果為主要數(shù)據(jù)源，充分利用已有土地調(diào)查、登記和戶(hù)籍等資料，通過(guò)室內(nèi)采集與調(diào)查、外業(yè)調(diào)查與邊長(zhǎng)丈量、內(nèi)業(yè)整理與建庫(kù)，多快好省地完成農(nóng)村地籍調(diào)查工作。技術(shù)路線(xiàn)圖如圖2所示。

從以上兩種方法的技術(shù)路線(xiàn)不難看出，解析法對(duì)實(shí)施單位要求更高，解析法要求實(shí)地用GPS、全站儀數(shù)學(xué)化測(cè)完圖，形成工作底圖后才能開(kāi)展調(diào)查，因此需要投入大量的測(cè)繪專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員為了提高效率，本單位在A地區(qū)和B地區(qū)嘗試使用無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量方法進(jìn)行地籍測(cè)量工作，以期降低外業(yè)的人員投入和工作效率，突破傳統(tǒng)地籍調(diào)查技術(shù)瓶頸。

圖2 圖解法農(nóng)村地籍調(diào)查流程圖

3 無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影地籍測(cè)量

傾斜攝影技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同的角度采集影像，將用戶(hù)引入了符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個(gè)中小城市建模工作，通過(guò)傾斜攝影建模方式只需要3～5個(gè)月時(shí)間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)代價(jià)和時(shí)間代價(jià)。

以珠海市測(cè)繪院承接的農(nóng)村地籍調(diào)查項(xiàng)目為例，A地區(qū)地籍項(xiàng)目需要測(cè)量的村莊 1∶500地籍圖面積約為 15 km2，B地區(qū)需要測(cè)量的村莊 1∶1 000地籍圖面積約為 30 km2，A地區(qū)的航拍影像需要優(yōu)于 2 cm分辨率的傾斜攝影，B地區(qū)航拍影像需要優(yōu)于 5 cm分辨率的傾斜攝影，并利用傾斜攝影數(shù)據(jù)利用Smart3D等軟件進(jìn)行實(shí)景三維自動(dòng)建模，然后再用清華山維軟件勾畫(huà)地形圖。

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影地籍測(cè)量工作流程

如圖3所示，本次實(shí)景三維建模的生產(chǎn)制作流程包括：

(1)現(xiàn)場(chǎng)勘察與資料收集：對(duì)2個(gè)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，尋找合適的起飛地點(diǎn)，對(duì)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的限飛情況與相關(guān)部門(mén)進(jìn)行了解溝通，收集天氣氣象資料，制定合理的飛行時(shí)間。

(2)技術(shù)設(shè)計(jì)：選擇合適的飛行器，制定飛行路線(xiàn)、區(qū)域，選擇適合的飛行時(shí)間，對(duì)航線(xiàn)重疊度、航次等重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)論證，制定合理可行的實(shí)施方案和安全方案。

(3)傾斜三維攝影采集：按照技術(shù)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行航測(cè)飛行數(shù)據(jù)采集工作。

(4)實(shí)景三維建模處理：利用Smart3D、Altizure等專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)傾斜攝影采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)生成實(shí)景三維模型。

(5)利用清華山維或者南方idata等軟件在三維模型上勾畫(huà)地形圖。

(6)內(nèi)業(yè)質(zhì)檢、外業(yè)查漏補(bǔ)缺。

圖3 工作流程

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)硬件簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)攝影設(shè)備、無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)分別如圖4、圖5所示。

圖4 無(wú)人機(jī)攝影設(shè)備

(1)傾斜相機(jī)：它通常情況采用5個(gè)方位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分為正攝、前視、后視、左視、右視。

圖5 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)

(2)飛行器：

無(wú)人機(jī)傾斜攝影主要以固定翼、旋翼為主流。

①固定翼：一般以電動(dòng)、油動(dòng)為主要?jiǎng)恿υ矗瑑?yōu)點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、效率高。不足：由于固定翼航速較快配合的相機(jī)曝光間隔時(shí)間要求高，其次由于有安全航高的限制、載重的限制通常能夠獲取的影像地面分辨率在 8 cm以上。面對(duì)測(cè)繪行業(yè)對(duì)精度要求不斷提高，受眾面變窄。

②旋翼機(jī)：一般有三、四、六、八旋翼。

優(yōu)點(diǎn)：可懸停、易操作、安全性高，可以根據(jù)測(cè)區(qū)情況進(jìn)行不同高度的飛行作業(yè)，使獲取的影像地面分辨率達(dá)到 1 cm以下。現(xiàn)階段采用八軸飛機(jī)為主流，其原因是八軸飛機(jī)可以支持?jǐn)鄻Ｗo(hù)，在失去一個(gè)機(jī)臂時(shí)可正常飛行，在失去不相鄰的兩個(gè)機(jī)臂時(shí)仍然可以安全回收。在飛控的選擇上作為航測(cè)用途的多選擇雙控制器，原因是無(wú)人機(jī)傾斜攝影在市區(qū)作業(yè)較多，安全的保障是第一位的。不足：續(xù)航時(shí)間有限，一般的無(wú)人機(jī)傾斜攝影相機(jī)重量在 2 kg～5 kg，續(xù)航在 30 min左右。

本項(xiàng)目使用的是對(duì)電池改裝容量加大了的旋翼機(jī)。

3.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集

制定計(jì)劃后，在天氣條件合適的情況下，組織人員設(shè)備進(jìn)行了外業(yè)無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件不同，飛行高度在 100 m～200 m之間，航線(xiàn)設(shè)計(jì)符合相關(guān)技術(shù)要求，傾斜攝影的航線(xiàn)設(shè)計(jì)采用專(zhuān)用航線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其相對(duì)航高、地面分辨率及物理像元尺寸滿(mǎn)足三角比例關(guān)系。本次要生產(chǎn)自動(dòng)化模型，旁向重疊度需要達(dá)66%以上，航向重疊度也需要達(dá)到66%以上。航線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件生成一個(gè)飛行計(jì)劃文件，該文件包含飛機(jī)的航線(xiàn)坐標(biāo)及各個(gè)相機(jī)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)位置。實(shí)際飛行中，各個(gè)相機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)進(jìn)行曝光拍攝。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)三維建模

數(shù)據(jù)獲取完成后，首先要對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對(duì)不合格的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿(mǎn)足要求，其次進(jìn)行勻光勻色處理，在飛行過(guò)程中存在時(shí)間和空間上的差異，影像之間會(huì)存在色偏，這就需要進(jìn)行勻光勻色處理，再次進(jìn)行幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，最后將平差后的數(shù)據(jù)(3個(gè)坐標(biāo)信息及3個(gè)方向角信息)賦予每張傾斜影像，使得它們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，至此傾斜影像即可進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)，每張斜片上的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)真實(shí)的地理坐標(biāo)位置。內(nèi)業(yè)處理采用Smart 3D作為數(shù)據(jù)處理軟件，Smart 3D能夠以一組對(duì)靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入各種可選的額外輔助數(shù)據(jù)：攝像頭的屬性(焦距、傳感器尺寸、主點(diǎn)、鏡頭失真)，照片的位置(如GPS)，旋轉(zhuǎn)照片(如INS)，控制點(diǎn)等信息，無(wú)須人工干預(yù)，即能輸出高分辨率的帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)格模型，生成輸出的三維網(wǎng)格模型能夠準(zhǔn)確精細(xì)地表現(xiàn)出建模主體的真實(shí)色澤、幾何形態(tài)及細(xì)節(jié)構(gòu)成，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過(guò)程。圖像到三維模型建立流程如圖6所示。

圖6 圖像到三維模型建立流程

4 總 結(jié)

兩人一組的外業(yè)測(cè)量小組采用常規(guī)的測(cè)量方法，每個(gè)月的作業(yè)量在 0.2 km2左右，若使用無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，一個(gè)外業(yè)組一天的航拍面積就可達(dá) 5 km2，外業(yè)效率提高了數(shù)百倍。將無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際地籍測(cè)量項(xiàng)目中取得了極好的效果，該方法大大提高了工作人員的外業(yè)效率，有廣闊的應(yīng)用推廣前景。