無人機傾斜攝影測量在房地一體項目中的應用研究

馬婷

(天水三和數碼測繪院有限公司,甘肅 天水741000)

“房地一體”登記確權是我國實施鄉村振興戰略、推動農村制度改革,加快城鄉融合發展等工作的基礎[1],然而農村“房地一體”不動產登記任務重、難度大、工期緊,是面臨的一個主要問題。傳統的地籍測量是利用全站儀、RTK、卷尺等工具,對房屋坐標和距離進行采集,但是這種作業方式工作量大、效率低、入戶難、成本高、風險高,不能確保按時完成任務,尋求一種高效的作業方式是非常緊迫的一項任務。傾斜攝影是近年來發展起來的一項高新技術,具備采集數據靈活、分辨率高、地物信息豐富、產品精度高等特點,受到越來越多企業的追捧。用傾斜攝影技術生產大比例尺地形圖已經是目前的主流技術,然而采用傾斜攝影生產地籍圖,目前學者研究的并不多,因此,如果掌握傾斜攝影生產地籍圖的作業方式,會為同行業人員提供一種地籍圖生產方式,提高作業效率。本文主要對無人機傾斜攝影測量技術和工作流程進行了簡單講解,并以實際生產項目為例進行工作流程的驗證,最后對采用傾斜攝影方式獲得的地籍圖成果精度進行檢測,結果表明：本文的方法生產的地籍圖精度滿足地籍測繪規范(CH 5002-94),可按本文的方法大規模展開作業。

1 無人機傾斜攝影測量技術和工作流程

1.1 無人機傾斜攝影測量技術

圖1 無人機傾斜攝影測量工作流程

無人機傾斜攝影測量[2-3]是指在無人機飛行平臺上搭載多視角傾斜航攝儀和GPS/IMU 設備,然后對地面物體從空中多個視角進行拍攝,經過專業軟件對拍攝的影像數據進行解算,依據共線方程恢復攝影時相機曝光點和影像上地物之間的相對關系,從而確定地物點坐標在相機曝光時坐標系下的位置,然后通過導入像控點,通過局域網聯合平差,將相機所在的坐標系統轉換到像控點所在的坐標系統下,從而獲得符合生產要求的測繪成果。

1.2 無人機傾斜攝影測量工作流程

無人機傾斜攝影測量分為外業和內業兩部分[4-5],外業主要是指原始影像的航攝和像控點的噴涂與采集,內業主要是指三維模型生產和地籍圖生產,具體流程見圖1。

2 項目驗證

2.1 項目區概況

項目區地形屬于帶狀區域,兩側有海拔不等的山,房屋位于兩山之間,分布較集中,面積約0.9km2。房屋所在區域高差較小,最大約10 米,屬于典型的高山地地形。

2.2 航線規劃及數據獲取

結合地形和地籍測量精度指標以及地面分辨率和模型分辨率之間的對應關系,本次采用三和數碼SH-20X 六旋翼無人機進行航攝數據獲取。地面采樣分辨率設置為1.5cm,航向、旁向重疊度均設置為80%,航高設置為85 米。結合飛機的有效飛行面積,本次飛行劃分為2 架次,并對測區最外圍外擴兩個航高的距離,以保證測區最外圍房屋側面信息完整。在三和數碼地面站進行上述參數設置后,完成航線規劃。在天氣晴朗時進行航攝,共獲得5 鏡頭航攝影像13560 張。

2.3 像控地標噴涂及采集

由于地籍項目精度要求高,所以在航攝之前已對測區進行地標噴涂,采用紅色和白色油漆,噴涂對立的三角形。結合傾斜攝影的特點,在像控點布設時,無需考慮航線數目,按照150-200 米的距離在測區均勻噴涂像控點地標,共布設像控點32 個。本次成果要求坐標系為2000 國家大地坐標系,高程基準為大地高,按照高斯- 克呂格3 度投影進行轉換。像控點使用GPS-RTK 采集,每個點位采集三次,最后點位坐標為三次采集坐標值的平均值。對于采集到的大地高,采用省級似大地水準面精化成果將大地高轉換為正常高。在采集像控點的過程中,對點位進行實地拍攝,有助于精準快速對點位進行判讀。為了檢測后期地籍成果的精度,在測區內隨機采集了25 個檢測點,檢測點分布于整個測區,且都為房角點,采集的同時也進行了實地照片拍攝。

2.4 數據預處理

利用Photoshop 軟件對獲取的影像進行勻光勻色處理,提高影像的質量。刪除無效影像,利用拖把更名器軟件對5 鏡頭影像進行重命名,確保所有影像無重名。利用Ultra Edit 軟件對航飛原始pos 數據進行批量處理、更名,確保影像和位置信息一一對應。對像控點原始數據進行整理,得到最終可用的像控點成果表。

2.5 空中三角測量及平差調整

本次建模使用Context Capture 軟件,新建工程,導入影像數據和pos 數據,設置引擎運行路徑,完善工程中各相機參數。針對Context Capture 軟件空三加密失敗率高,成果容易出現分層、彎曲的問題,本文采取對相機的內方位元素進行優化的作業方式。在對數據處理之前,首先加載每個鏡頭的前100 張有效影像進行數據解算,待解算完成后,獲取每個鏡頭的相機參數,主要是指內方位元素和畸變參數。加載所有的影像,導入外方位元素,用解算出來的相機參數完善工程中的焦距等,這樣可以提高空中三角測量的成功率。在空三加密參數設置中,默認通用的匹配方式即可,提交任務,開啟引擎,任務開始運行。

待空三解算完成后,結合空三加密質量報告和人眼交互查看空三成果的方式,對解算的成果進行查看。報告中給出加密點中誤差為0.56 個像素,重投影中誤差為0.61 個像素,精度小于2/3 個像元,成果精度符合要求。通過交互查看,空三成果無分層,無完全變形,成果可用。

由于無人機搭載的是非量測數碼相機,加之傾斜方式進行數據采集,導致影像邊緣變形嚴重。本次搭載的5 鏡頭相機,側視鏡頭與垂直鏡頭夾角呈45 度,結合分辨率與航高的關系,可知側視鏡頭影像邊緣分辨率與垂直鏡頭的差異大,如果對邊緣的像控點點位進行轉刺,會影響到空中三角測量整體的精度。綜上,本次在對像控點進行轉刺時,通過目視判斷,對位于影像邊緣1/10 外的像控點點位不進行轉刺。

設置坐標系,導入整理后的像控點成果,對像控點進行轉刺。首先對每個鏡頭每個點位轉刺3-5 張影像,然后進行平差。在平差的基礎上,對剩余的符合優化條件的點位進行轉刺并平差,這樣可以提高像控點轉刺的效率,也可以提高整個空三加密成果的精度。

通過對平差質量報告查看,本次像控點平面點位中誤差為0.021m,高程點位中誤差為0.034m。結合地籍成果要求精度,本次空三成果符合生產需求。

導出平差后的含有連接點的空三成果,坐標系選擇與像控點坐標系一致,并輸出糾正畸變后的影像。

2.6 三維模型生產

在平差精度符合要求后,開始生產實景三維模型。首先根據像控點的坐標系設置空間框架參考系統,按照規則平面格網切塊,導入測區范圍線,根據電腦內存大小設置瓦片大小為100m*100m,然后幾何簡化選擇平面,容差設置為0 米,盡可能保留建筑物頂點結構。任務提交里,選擇輸出模型的格式為*.OSGB,空間參考系統和像控點的一致,提交任務待模型生產完成。

3 傾斜攝影成果矢量采集

利用清華三維的EPS 軟件,將空三加密成果恢復到EPS 軟件中,并導入實景三維模型,然后利用EPS 對房屋進行采集。對于模型結構完整的房屋,可在模型上直接采集,這樣效率更高；對于模型結構變形、拉花嚴重,無法判斷房屋邊緣、頂點的房屋,可利用恢復好的立體像對在立體環境下進行采集,這樣可以彌補裸眼采集精度的不足,但是效率較低。

4 精度評價

利用已有的25 個房角檢測點,采用高精度檢測方式對采集編輯完成后待提交的地籍成果,利用EPS 軟件進行精度檢測,各檢測點平面精度見表1 所示。

表1 各檢測點平面精度檢測表

本次項目驗證,平面點位誤差最大為6.4cm,最小為2.9cm,無超過2 倍中誤差的檢測點,利用高精度中誤差計算公式對檢測點進行計算時,所有檢測點都是有效的,通過計算可得本次項目的平面點位中誤差為4.7cm,符合地籍測圖要求,成果可用。

5 結論

針對傳統地籍測量存在的諸多問題,本文采用無人機傾斜攝影測量技術來代替傳統的作業方式,利用無人機進行數據采集,結合建模軟件和地籍圖采集編輯軟件進行地籍數據的生產,并對各重要環節進行了優化。首先對Context Capture 的空三加密環節作業方法進行了優化,提高了空中三角測量的精度,盡可能保留了建筑物頂點結構；其次在地籍圖采集環節,利用多視影像恢復立體像對,結合實景三維模型進行虛擬- 真實混合采集方式,對于模型拉花的房屋,可采用恢復立體像對的方式進行立體采集,對于模型完好的房屋,可采用裸眼方式進行采集。通過虛擬- 真實混合采集方式,不但提高了地籍圖成果的精度,而且較傳統地籍測量方式,作業效率顯著提升,節約了大量的時間和成本。本文提出的方法具有一定的實用價值和推廣價值,可保障農村房地一體不動產登記確權項目順利按時完成。