無人機傾斜攝影測量技術(shù)在1:500地籍測繪中的應用

雷遠華

摘要：隨著航空攝影測量技術(shù)的發(fā)展，無人機被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、植保、快遞運輸、災難救援、測繪等各個領(lǐng)域。針對以往地籍測量存在低精度、低效率、高成本等缺點，本文以農(nóng)村1：500地籍測繪項目為例，詳細講述無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測量工作中的應用方法和操作細節(jié)，并根據(jù)實驗結(jié)果證明：無人機傾斜攝影測量可高效、高精度完成大部分1：500地籍圖測量工作。

關(guān)鍵詞：無人機;傾斜攝影;三維建模;地籍測繪

Abstract： With the development of aerial photogrammetry technology， drones are widely used in various fields such as agriculture， plant protection， express delivery， disaster relief， surveying and mapping. Aiming at the shortcomings of low accuracy， low efficiency， and high cost in the past cadastral surveying， this article takes the rural 1：500 cadastral surveying and mapping project as an example to describe in detail the application methods and operation details of the drone tilt photogrammetry technology in the cadastral surveying work. According to the experimental results， it is proved that the drone tilt photogrammetry can efficiently and accurately complete most of the 1：500 cadastral map survey work.

0? 引言

以往地形測繪采集數(shù)據(jù)的工具通常為全站儀和RTK，以上工作操作程序復雜、工作量大、效率低。數(shù)字正射影像DOM具有地物和地貌編輯屬性，然而數(shù)字正射影像對二維平面進行內(nèi)業(yè)繪圖存在人工識別邊界線難度大、精度低的問題。如何高效率、高精度、低成本地完成測繪任務成為時代發(fā)展的重要需求。

傾斜攝影測量技術(shù)作為目前發(fā)展較為迅速的新興技術(shù)，不僅能夠真實地反映地物情況，而且顯著提高三維城市建模的速度，使三維城市建模成本大幅降低。傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展能夠很好的滿足工程測量中高效率、高精度、低成本的需求，可為構(gòu)建三維城市模型、完善地物信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、打造智慧城市提供巨大推動力。本文以北方某鄉(xiāng)村為例詳細闡述傾斜攝影的原理和流程，并對建模和地形圖成果進行精度驗證，結(jié)果表明本文方法可以高效完成大部分1∶500地籍圖測量工作。

1? 測區(qū)概況

測區(qū)位于北方某鄉(xiāng)村，本次航飛區(qū)域面積約為1平方公里，測區(qū)內(nèi)以農(nóng)村宅基地住房為主，地形起伏不高。因測區(qū)面積較大，總共布設(shè)3條航線，航向重疊率85%，旁向重疊率70%，像元尺寸大小為3.9μm。無人機飛行約60min，五個鏡頭總共獲得航片5425幅。

2? 傾斜攝影測量三維建模

傾斜攝影技術(shù)就是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從多個不同的角度采集影像，構(gòu)造符合客觀存在的真實世界。傾斜攝影測量主要分為兩個流程：外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模。外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要通過無人機根據(jù)既定規(guī)劃路線航飛從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集測量區(qū)域建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理;內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)建模負責根據(jù)采集到的高分辨率影像通過三維建模技術(shù)生成符合測量區(qū)域特征的三維模型。本文采用大疆M600PRO無人機搭載睿鉑相機DG3傾斜相機進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，應用ContextCapture建模軟件和清華三維軟件EPS完成內(nèi)業(yè)三維建模。

2.1 傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作主要流程有航飛區(qū)域及像控點位置規(guī)劃、像控點布設(shè)、起飛區(qū)域選取、飛行任務設(shè)置、采集數(shù)據(jù)導出和無人機收取整理。

①航飛區(qū)域及像控點位置規(guī)劃。首先在奧維地圖上規(guī)劃航飛區(qū)域以及布設(shè)像控點位置，然后導出航線KML文件并保存。為保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和精度，相鄰像控點之間的距離通常不超過200m，如圖2、圖3所示。

②像控點布設(shè)。安排人員實地布設(shè)像控點標志并用RTK測量像控點坐標。為方便后續(xù)進行人工刺點，像控點實際位置應無電線桿、樹木、樓房等地物遮擋，像控點坐標系統(tǒng)為CGCS2000。為了降低測量誤差，像控點坐標每三十秒測量一次，測三次并取三次測量的平均值作為最終像控點坐標，保證像控點精度在2～3cm。

③起飛區(qū)域選取。尋找飛行區(qū)域內(nèi)適合飛機起降的空曠區(qū)域（可以提前在奧維地圖上尋找），到達起飛區(qū)域后開始組裝飛機，安裝起落架，組裝電池組，打開GPS信號天線等。

④飛行任務設(shè)置。將規(guī)劃好的航線導入到DJ GS PRO軟件，導入航飛區(qū)域KML文件并新建任務，設(shè)置規(guī)劃航高（80m）、航向重疊度（85%）、旁向重疊度（70%）、返航高度（低于航高1～2m）、睿鉑相機鏡頭等參數(shù)，通過航高設(shè)置可以確定無人機飛行速度（8m/s）以及像片分辨率（控制在1.5cm左右）。根據(jù)測區(qū)地形情況和精度要求，軟件將會自動生成最佳航線。

⑤采集數(shù)據(jù)導出。飛行完畢后通過數(shù)據(jù)線連接航測專用筆記本，先進行POS數(shù)據(jù)的下載，然后根據(jù)POS數(shù)據(jù)下載相片數(shù)據(jù)至航測專用筆記本。確保POS信息無遺漏，航片清晰，色彩豐富。像片數(shù)據(jù)傳輸完成后應及時格式化相機里的相片以保證相機擁有足夠內(nèi)存進行下次飛行任務。

⑥無人機整理。收起落架，拆卸電池組，套上相機防塵套，電池組充電等。

2.2 三維模型構(gòu)建

三維建模流程如圖5所示。

①首先依次打開ContextCapture Engine和ContextCapture Master軟件，然后新建工程并命名并選擇保存工程文件位置。②然后依次導入影像，選擇坐標系，人工刺點，空三加密聯(lián)合平差。人工刺點和空三加密聯(lián)合平差是一個反復的過程，可在”3D視圖”按鈕查看空三計算概略結(jié)果，直至空三質(zhì)量報告精度結(jié)果滿足要求即可。如圖6，展示了空三質(zhì)量報告中的重投影誤差值RMS為0.55。③其次進行重建任務的設(shè)置。建模開始之前，必須進行建模參數(shù)設(shè)置。依次設(shè)置瓦片劃分模式及瓦片大小。需要注意單個瓦片內(nèi)存使用大小不能超過計算機內(nèi)存大小。④最后設(shè)置成果格式并提交重建任務。選擇生成產(chǎn)品的格式（.S3C），三維模型紋理壓縮比率（90%），選擇項目成果坐標系（CGCS2000）等，然后提交任務并等待任務完成即可。⑤如圖7所示，通過三維模型生成對應的數(shù)字正射影像DOM。⑥三維模型重建工程結(jié)束后，如圖8所示，通過ContextCapture Viewer打開相對應格式的模型文件即可查看三維模型重建的效果。

2.3 DLG的數(shù)據(jù)采集

通過清華三維測圖軟件EPS加載ContextCapture生成的三維模型。如圖9所示，以DSM和DOM為參考，在三維模型上對農(nóng)村宅基地進行DLG的數(shù)據(jù)采集并繪制地籍圖。

①首先，將三維模型進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成對應的DSM。②通過選擇EPS軟件中“加載傾斜影像”和“加載超大影像”分別加載DSM和DOM。③以DOM為參考，在三維模型上采用五點法或者線劃法對房屋進行地籍圖的繪制，同時還可直接錄入房屋結(jié)構(gòu)、樓層數(shù)、高度等屬性信息。如道路、植被等某些地物可在DOM上直接進行數(shù)據(jù)采集和繪制。

3? 精度分析

3.1 檢查點坐標量測

利用全站儀實測的房屋界址點坐標值與三維模型量測的坐標值進行對比。如圖10，隨機抽出房屋地籍圖房角點進行精度檢測。

3.2 精度對比

式（1）中：Ds為檢查點平均平面中誤差，單位為m;ΔX、ΔY檢查點實測坐標值與三維模型觀測值坐標的誤差，單位為m;n為參與評定精度的檢查點數(shù)。

如表1所示，總共統(tǒng)計了二十個房角點，并均勻分布。檢查點統(tǒng)計計算結(jié)果見表1。平面位置平均中誤差為0.046m，最小誤差為0.028m，最大誤差為0.129m。查閱地籍測繪規(guī)范CH5002-94標準得知：1：500地籍圖上坐標點的最大展點誤差不得超過0.05m，其他地物點相對鄰近控制點的點位中誤差不超過0.25m。本次檢查點合格率為85%。個別檢查點出現(xiàn)誤差超限的可能原因是：飛行平臺穩(wěn)定性不足;人工進行DLG數(shù)據(jù)采集不準確。

4? 結(jié)論

本文通過實際案例，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)開展1∶500農(nóng)村房屋地籍圖測繪項目，并對三維建模和地形圖成果進行精度驗證。結(jié)果表明采用無人機傾斜攝影技術(shù)與清華三維軟件EPS相結(jié)合的三維測圖方法可在一定程度解決這一問題，完成外業(yè)測量任務的大部分工作。與傳統(tǒng)采用全站儀+RTK全野外測量方式相比，能大大減少外業(yè)的人力物力，節(jié)約時間，提高工作效率，成果更加豐富直觀的同時還能提高測圖質(zhì)量和精度。

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