單鏡頭無人機在多測合一中的應用研究

李施偉

(南通市房產管理測繪隊,江蘇 南通 226001)

0 引言

近年來,我國多省有關部門出臺了《關于全面推進工程建設項目“多測合一”改革的指導意見》,將工程建設項目涉及的測繪業務按立項用地規劃許可、工程建設許可、施工許可、竣工驗收許可4個階段劃分。并根據測繪事項時序關系和委托主體差異,將工程建設項目“多測合一”事項進一步歸集整合,調整為兩個綜合測繪事項,即將用地預審與選址審批、供地、不動產登記(凈地)等環節涉及的測繪業務整合為一個“用地階段”綜合測繪事項;將工程規劃許可、施工許可、規劃驗線、房屋預售、規劃核實、不動產登記、房產實測等環節測繪業務整合為一個“施工階段”綜合測繪事項,進而提高測繪效率,減輕建設單位負擔。

隨著多測合一工作方式的有效推進,各類相關測繪作業效率得到了較大提升,同時也對測繪作業方式和成果質量有了更高的要求。傳統的測繪作業采用全站儀、RTK進行數據采集,作業效率低,難以滿足多測合一高效作業的需求。近年來,無人機航測技術取得突破性發展,傾斜模型的建模速度、建模精度都大大提高,使得低成本快速采集高精度野外數據成為可能。但是傳統的傾斜攝影測量通常使用航片或多相機系統進行測量,經濟成本高且操作復雜。無人機技術的快速發展,單鏡頭無人機傾斜攝影測量成為一種更為靈活、高效和經濟的測量方法,其結合了無人機的機動性和傾斜攝影技術的高精度測量能力,為多測合一中的應用提供了全新的解決方案[1-3]。

1 多測合一相關概述

“多測合一”是指將在行政審批中的同一個建設工程項目所涉及的測繪業務,由原多項測繪合并為一個綜合性聯合測繪項目。同一個工程建設項目在辦理規劃用地、房產、綠化、人防、道路、消防等行政審批過程中,所涉及的工程測量(包括控制測量、地形測量、規劃測量、地下管線測量)、不動產測繪(包括地籍測繪、房產測繪)等多項測繪業務,由工程建設項目業主選擇一家具備相應測繪資質的服務機構承擔,并在行政審批中按要求分別向審批部門推送并運用測繪成果。而傾斜攝影測量技術在多測合一中具有重要作用,該技術能構建高分辨率傾斜實景模型,還能與其他傳感器數據進行融合,為各應用領域的決策和規劃提供可靠的數據支持[4]。

2 項目應用

2.1 項目概況

實驗測區位于N市某鄉鎮,測區總面積約為7 km2,現擬開展高精度傾斜航攝,建立測高精細實景三維模型,進而圍繞自然資源信息,開展自然資源大數據平臺建設與應用。本項目依托N市區域規劃建設的需求,由自然資源部經濟管理科學研究所與N市測繪研究院聯合承擔其傾斜攝影測量模型生產及相關地形圖的建設與應用任務。項目擬采用大疆經緯M600pro單鏡頭無人機,測區內平均分布像控點8個/km2～12個/km2,地面與房角檢查點共布設60個,用于滿足項目生產需求。

2.2 航線規劃

一般多鏡頭航攝并使用無人機鏡頭垂直下視和前后左右共5個方向進行“Z”字型航攝飛行,是目前單鏡頭模擬傾斜攝影測量最常用的航線規劃方式,但是這種作業手段會增加航攝起降次數和影像采集數據量,后期數據處理需要人工添加控制點環節會極大增加工作量降低效率,因而本文使用十字交叉傾斜航攝方法,模擬雙鏡頭進行45°和70° 2個方向傾斜影像數據采集,減少影像拉伸和遮擋。相關示意圖如圖1所示。

本次實驗無人機作業時間為上午9點—下午15點,在該時間段內,測區內天氣晴朗,光線適中,偶有薄云,1級—2級微風,適合飛行。項目設計航高為130 m(遇高層時為260 m),地面分辨率(GSD)為1.5 cm,航向/旁向重疊度為80%/75%,累計飛行8個架次,航飛速度為7.8 m/s,單架次飛行時間約25 min,共獲取2 300余張影像,航片影像清晰、色彩均勻,滿足本次項目的使用要求[5-6]。外業影像數據采集實際航線如圖2所示。

2.3 實景三維建模

實驗實景三維建模應用的是大疆智圖軟件,首先進入軟件,“新建任務”并填寫任務名稱,然后導入影像文件夾;重建類型選擇“三維模型”,建圖場景選擇“普通場景”,重建清晰度選擇“高”,然后進行空三重建;接著進行像控點管理,像控點坐標系選擇CGCS2000,導入像控點文件,再進行刺點,在每個帶有控制點的圖片上進行刺點,每個控制點選擇15個～20個圖片進行刺點,刺完后,輔助進行空三優化;然后退出像控點管理,通過特征提取和匹配算法,將影像中的像素點與其在實際空間中的位置進行匹配,生成密集點云數據;最后將紋理信息與三維模型融合,得到測區實景三維模型,如圖3所示。

3 精度評定及應用分析

實驗為檢驗重構實景模型的數據精度,應用全站儀進行實測校驗,共選取35個點位進行比對檢驗。重建的實景三維模型坐標與RTK和全站儀校驗坐標進行對比,如表1所示。

表1 校對點精度統計表 m

結合表1計算公式,最終計算得到檢測中誤差5.7 cm,最大較差為6.8 cm,最小較差為1.0 cm,滿足“多測合一”的精度要求。此外,為進一步檢驗本文提出方法的精度是否可靠,本文隨機選取測區50個特征區域進行精度驗證,五鏡頭相機和單鏡頭相機硬件配置完全相同,實測邊長采用全站儀現場測量[7-8],對比結果見表2。

表2 邊長測量結果精度對比 m

通過表2可以看出,邊長精度驗證上,單鏡頭無人機精度稍低于五鏡頭無人機測量結果,但是兩者差距不大,雖然本項目建立的實景三維模型精度滿足相關應用要求,但是單鏡頭無人機在外業數據采集及內業實景三維建模中,仍需要注意以下幾點:

1)由于白天的電磁輻射和陽光輻射等原因,會在一定程度影響網絡信號,進而造成RTK測量儀所測得的數據不準確的情況,所以為了提高測量的數據精度,可以在前一天晚上或者當天早晨進行檢查點坐標測量。2)在天氣良好的情況下進行采集,避免中午暴曬、光線過暗、降雨等情況下進行采集。3)內業處理上,若遇到空三分層的情況,可以考慮第一遍空三設置中位置和姿態選擇平差調整,徑向畸變和切向畸變選擇保持;第二遍空三的時候位置和姿態選擇重新計算,徑向畸變和切向畸變依舊選擇保持。4)要實現免像控,必須滿足三個條件:一是航片具有高精度POS;二是高精度POS在空三軟件里面具有很高的權重,即當成已知點參與空三;三是無人機相機畸變參數要精確標定。

本項目最終目的是以N市實景三維模型成果為基礎底圖,建設N市自然資源大數據平臺。因此,首先基于三維模型采集的矢量范圍,對三維模型邊緣變形區域進行裁剪,并將三維模型邏輯單體化,為后期高精度地形數據、正射影像數據、國土空間規劃數據、CAD地形圖、竣工數據和地籍數據等各類自然資源信息綜合管理等提供數據基礎。除了以上相關應用外,還可以將地上實景三維模型與地下管線相結合,構建城市自然資源三維立體一張圖,實現城市自然資源地上、地下全方位管理與服務。

4 結論

本文通過對單鏡頭無人機傾斜攝影測量技術的應用研究,通過對無人機的飛行軌跡、相機參數和外業環境選擇的優化,以提高單鏡頭實景三維模型數據的質量和準確性。最后通過實際工程進行驗證,單鏡頭無人機傾斜攝影測量技術同樣可以實現更全面、準確和可靠的測量結果,研究結果為多測合一提供了有力的支持和推動。