消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測量技術(shù)在房地一體中的應(yīng)用

高 葉，韋福秀

(浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310000)

房地一體測繪主要為了保證地方政府能夠及時(shí)掌握相關(guān)區(qū)域的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)屬情況，以便對該區(qū)域土地利用及規(guī)劃進(jìn)行全方位的分析[1]，該項(xiàng)工作外業(yè)工作量大、精度要求高[2]。目前，房地一體項(xiàng)目調(diào)查通常采用傳統(tǒng)解析法、車載三維激光掃描儀、機(jī)載激光雷達(dá)等方法。由于地籍測量對界址點(diǎn)精度要求較高，按照國家測繪局頒布的《地籍測繪規(guī)范》[3]要求，使用權(quán)明顯界址點(diǎn)精度中誤差優(yōu)于0.05 m，允許最大誤差優(yōu)于0.1 m。韓世靜等采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行地籍測量，該方法存在作業(yè)效率低、易受外業(yè)天氣影響問題[4]。賈寶等采用車載移動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行房地一體測繪，該設(shè)備成本較高難以推廣[5]。吉緒發(fā)等利用無人機(jī)平臺(tái)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)調(diào)查，但構(gòu)建的三維模型缺少紋理信息[6]。通過傳統(tǒng)的航攝獲取的影像數(shù)據(jù)具有豐富的紋理信息，經(jīng)過影像空三、密集匹配以及紋理映射等處理可以生成紋理豐富的三維立體模型[7]。萬祖海等嘗試?yán)脽o人機(jī)搭載的Canon 5D攝影機(jī)進(jìn)行大比例尺地籍測繪，驗(yàn)證該方法需要配合現(xiàn)場調(diào)繪的方式[8]。上述方法存在儀器設(shè)備昂貴、作業(yè)效率低、技術(shù)門檻高以及無法滿足精度要求等問題。

鑒于此，本文提出采用消費(fèi)型飛馬D200多旋翼無人機(jī)為航攝平臺(tái)，搭載五鏡頭的D-OP400傾斜測量模塊應(yīng)用于房地一體的項(xiàng)目，對韶關(guān)某區(qū)域進(jìn)行地籍測繪，利用外業(yè)采集的控制點(diǎn)統(tǒng)計(jì)控制點(diǎn)中誤差和地物平面位置精度，對消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測量技術(shù)在地籍測繪方面的精度進(jìn)行評價(jià)。

1 工藝流程

1.1 傾斜無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)

(1)D200無人機(jī)是飛馬機(jī)器人自主研發(fā)的垂直起降多旋翼無人機(jī)，采用四旋翼的十字布局形式，旋翼機(jī)型以其能夠獲取更高精度的航測數(shù)據(jù)、可懸停拍攝、對起飛和降落環(huán)境要求低等優(yōu)勢，兼具固定翼無人機(jī)航時(shí)長、速度高、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，性能方面主打“高精度程度”，如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 飛馬無人機(jī)

表1 飛馬D200飛行平臺(tái)參數(shù)

(2)D-OP400傾斜攝影相機(jī)模塊，采用全面幅微單相機(jī)，具備高質(zhì)量的側(cè)面紋理采集及高效率的作業(yè)能力，具備五相機(jī)同步曝光和逐相機(jī)打標(biāo)能力，精確獲取每個(gè)相機(jī)的精確曝光位置信息，搭配無人機(jī)管家數(shù)據(jù)處理模塊，提供1:500免像控高精度傾斜航攝完整軟硬件系統(tǒng)，同樣的機(jī)位下采用同樣的焦距和參數(shù)進(jìn)行拍攝，全畫幅比APS-C畫幅獲得的照片視角要廣，能被市面上所有的工業(yè)級無人機(jī)掛載。一個(gè)鏡頭垂直向下，另外四個(gè)鏡頭均勻分布在四周、傾角為45°，如圖2所示。傾斜模塊參數(shù)如表2所示。

圖2 D-OP400傾斜模塊

表2 D-OP400傾斜模塊參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

針對傾斜無人機(jī)攝影測量技術(shù)的特點(diǎn)，依據(jù)多視影像三維重建技術(shù)原理在房地一體項(xiàng)目中選擇傾斜相機(jī)，再依次完成航線規(guī)劃、采集影像數(shù)據(jù)、多視影像區(qū)域網(wǎng)平差、多視密集匹配生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型生成以及精度驗(yàn)證等步驟。具體流程參考地籍測繪的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，制定流程圖如圖3所示。

圖3 傾斜無人機(jī)攝影技術(shù)房地一體流程

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 測區(qū)概況

本次項(xiàng)目所在測區(qū)地勢平坦，地形高差在10 m以內(nèi)。主要地物為1～3層房屋、農(nóng)田、池塘、樹林等。測區(qū)房屋不高，地形起伏不大，飛行區(qū)域高空無特殊危險(xiǎn)源，選取飛馬D200多旋翼無人機(jī)搭載D-OP400五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，并使用全站儀與RTK外業(yè)采集控制點(diǎn)進(jìn)行后期檢查模型精度。作為經(jīng)濟(jì)型傾斜相機(jī)，D-OP400的性價(jià)比很高，適合于多機(jī)組、大范圍同時(shí)開展作業(yè)，提升項(xiàng)目完成效率。價(jià)格相對低廉，但它在精度方面不遜色于市面上的同品質(zhì)相機(jī)，可保證最終成果達(dá)到項(xiàng)目要求。航飛當(dāng)日，無人機(jī)作業(yè)時(shí)間為下午13～15點(diǎn)，在該時(shí)間段內(nèi)，測區(qū)內(nèi)天氣晴朗，光線適中，1～2級微風(fēng)，適合飛行。測區(qū)內(nèi)使用全站儀均勻?qū)崪y13個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)位清晰易辨認(rèn)，其分布如圖4所示。

圖4 控制點(diǎn)分布圖

2.2 航線設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)的航高為90 m，地面分辨率(GSD)為1.5 cm，按照常規(guī)地籍測量航向、旁向重疊度分別為80%、70%進(jìn)行作業(yè)。測區(qū)有效面積約0.15 km2，按照外擴(kuò)一倍航高的距離，所得實(shí)際航飛面積約0.31 km2，累計(jì)飛行2個(gè)架次，單架次飛行時(shí)間約25 min，共獲取5 335張影像，航片地物輪廓清晰、色彩均勻，滿足項(xiàng)目的使用要求。本次項(xiàng)目航線規(guī)劃如圖5所示。

圖5 航線規(guī)劃圖

2.3 數(shù)據(jù)處理及模型效果

2.3.1 空三解算

將傾斜無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)采集的多視影像數(shù)據(jù)，利用Skyscanner數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件進(jìn)行初步的整理，利用計(jì)算機(jī)視覺中影像匹配技術(shù)獲取多視影像數(shù)據(jù)的連接點(diǎn)坐標(biāo)，通過核線約束剔除誤匹配點(diǎn)[9]，采用最小二乘匹配方法[10]提高同名點(diǎn)的定位精度；結(jié)合外業(yè)采集控制點(diǎn)數(shù)據(jù)利用Photomesh軟件進(jìn)行空三解算，通過一次估算與精算對測區(qū)內(nèi)5 335張影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)整體平差處理，處理時(shí)間約3 h，空三解算一次通過，未發(fā)生分層等問題。空三解算完畢后，輸入外業(yè)控制點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)，利用空三解算結(jié)果計(jì)算外業(yè)控制點(diǎn)對應(yīng)的物方空間坐標(biāo)，模型誤差為0.018 m，即一個(gè)像素中誤差；空三處理過程中控制點(diǎn)參數(shù)影像定向參數(shù)精化過程，因此控制點(diǎn)的平面精度僅為0.006 m。

2.3.2 實(shí)景三維模型構(gòu)建

利用多視影像密集匹配技術(shù)獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型并剔除模型內(nèi)部存在錯(cuò)誤的點(diǎn)云；通過紋理自動(dòng)映射技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)與三角網(wǎng)模型間的一一對應(yīng)關(guān)系，最終生成具有真實(shí)紋理的實(shí)景三維模型。生成的實(shí)景三維模型包含高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、不規(guī)則三角網(wǎng)以及真實(shí)紋理信息。由整體三維模型圖6(a)可以看出：生成的實(shí)景三維模型整體效果較好，能較好的反映當(dāng)前該區(qū)域房屋分布情況。由局部細(xì)節(jié)模型圖6(b)、(c)可以看出：三維模型的側(cè)面紋理信息比較豐富，房屋整體結(jié)構(gòu)清晰，在屋頂、屋角處不存在變形情況，便于后期直接在三維模型上量測矢量信息。

圖6 實(shí)景三維模型圖

利用多視影像數(shù)據(jù)生成立體模型，采集大比例尺地籍圖存在模型精度誤差分布不均勻、粗差多等問題[11]。利用正視視圖中邊線的方式顯示模型，并將三維的測圖工作轉(zhuǎn)換為二維測圖，在二維模式下能夠輕易采集到房角點(diǎn)。通過不同視角的旋轉(zhuǎn)、縮放，獲取整個(gè)待采集測區(qū)的細(xì)節(jié)特征，確保地籍測圖的精度及高效性。

2.4 精度表

將整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域數(shù)據(jù)采集完畢，測試區(qū)域成果能符合地籍測圖0.05 m要求。按照《地籍測圖規(guī)范》精度統(tǒng)計(jì)要求，實(shí)地采集房屋的角點(diǎn)進(jìn)行精度分析[12]。利用外業(yè)采集的實(shí)測數(shù)據(jù)與立體模型上采集對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，檢驗(yàn)63個(gè)界址點(diǎn)的實(shí)測精度與繪圖精度的差值，最后統(tǒng)計(jì)所有點(diǎn)的X方向中誤差為0.027 m，Y方向中誤差為0.019 m以及平面中誤差0.033 m，滿足項(xiàng)目要求。精度校驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 界址點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表格/m

3 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用消費(fèi)型傾斜無人機(jī)攝影測量作為技術(shù)手段，通過無人機(jī)外業(yè)航飛、像控測量、三維模型制作、線劃圖采集等流程，生產(chǎn)房屋不動(dòng)產(chǎn)登記所需的地籍和房產(chǎn)測量數(shù)據(jù)。綜合來講，飛馬D200多旋翼無人機(jī)加D-OP400傾斜相機(jī)的組合，能夠滿足使用需求。相比于傳統(tǒng)人工測圖方式，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在效率上有了提升。對于地形及高空環(huán)境不復(fù)雜的區(qū)域，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的進(jìn)步在減少測繪外業(yè)人員的工作強(qiáng)度、提升項(xiàng)目作業(yè)效率方面有著重要意義。本文沒有考慮不同控制點(diǎn)分布以及數(shù)量對空三精度的影響，這也是下一步工作研究的方向。