無人機傾斜攝影測量技術(shù)在房地一體項目中的應(yīng)用

張森桂，胡 藝，羅自明

(湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊，湖北 恩施 445000)

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)概述

1.1 無人機傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影是相機與地面呈一定的角度對地面進行的影像數(shù)據(jù)獲取。為了提高影像數(shù)據(jù)獲取效率和減少遮擋產(chǎn)生的視角盲區(qū)，通常會將多個相機集成在一起掛載在無人機上進行作業(yè)。常見的傾斜攝影相機有2鏡頭和5鏡頭，市面上主要以5鏡頭居多，由1個下視相機和4個側(cè)視相機組成，通常側(cè)視相機與下視相機呈45°夾角。由相機焦距、航高、像元大小和影像地面分辨率四者之間的關(guān)系可知，像元大小相同的前提下，要想獲得影像的地面分辨率相同，需要相機焦距和航高相同。實際作業(yè)過程中，相對航高是以下視相機參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進行計算，由于側(cè)視與下視存在一定的夾角，所以側(cè)視相機中心點到地面的距離要比下視相機的大。為了能夠保證獲取影像分辨率盡可能相同，需要將側(cè)視相機的焦距進行調(diào)整。以夾角為45°為例，假設(shè)下視相機距離地面的航高為100 m，焦距為35 mm，則側(cè)視相機焦距為50 mm，這樣才能獲取分辨率一致的影像成果。

1.2 在房地一體中的應(yīng)用流程

采用無人機進行傾斜攝影測量，生產(chǎn)實景三維模型用于地籍圖測繪，主要包括航飛前的測區(qū)勘察和資料收集、空域申請、航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)獲取、控制測量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)解算和地籍圖測繪，生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影生產(chǎn)地籍圖作業(yè)流程Fig.1 Cadastral map production process based on oblique photography

1.3 傾斜攝影存在的問題

高冗余影像數(shù)據(jù)。由于搭載的是5鏡頭，這樣獲取的數(shù)據(jù)理論上是垂直攝影的5倍，又因為傾斜攝影主要用于三維模型生產(chǎn)，為了模型較完整，遮擋區(qū)域少，作業(yè)時航向、旁向重疊度均為85%甚至更高，這樣就使得影像存在大量的冗余，使得空三解算需要耗費更長的時間，對電腦設(shè)備要求更高。在不影響建模效果的前提下，剔除任務(wù)區(qū)邊緣無效影像可以提升空三解算速度和精度，有利于數(shù)據(jù)更好地進行準(zhǔn)確解算。

POS與影像不對應(yīng)。垂直攝影中，POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是一對一的關(guān)系，而在傾斜攝影測量中，POS和影像通常是一對五的關(guān)系，即1個POS對應(yīng)5張影像。雖然5個相機安裝位置相差不大，但是對于高精度數(shù)據(jù)解算來說，能夠獲得每個相機的精確位置坐標(biāo)，這樣更有利于對數(shù)據(jù)進行解算。通過分析相機安裝位置之間的關(guān)系，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，采用matlab軟件開發(fā)的POS解算軟件，將側(cè)視鏡頭的POS數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確解算。

影像畸變嚴重。影像分辨率不一致的主要原因是由于側(cè)視鏡頭近地點和遠地點與下視鏡頭之間夾角不一致，這使得影像畸變更加嚴重。在數(shù)據(jù)解算中無法避免，但可以通過優(yōu)化相機參數(shù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升，即通過少量影像進行解算，得到更加精確的相機參數(shù)，利用得到的相機參數(shù)解算更多的影像數(shù)據(jù)。

2 實例分析

2.1 測區(qū)勘察和資料收集

對任務(wù)區(qū)進行勘察，收集任務(wù)區(qū)已有資料可知，任務(wù)區(qū)約有農(nóng)房100多戶，都是1層房屋，范圍內(nèi)高差20 m左右。有2018年的0.2 m分辨率的正射影像，坐標(biāo)為2 000國家大地坐標(biāo)系，按照3度分帶進行投影，可作為調(diào)繪的底圖使用。

2.2 空域申請

勘察完成后，按照無人機作業(yè)要求，對測區(qū)航飛進行申請。申請表中寫明了航攝時間、航攝范圍及航攝高度等信息，按照流程進行申請，得到了批準(zhǔn)。

2.3 無人機選擇及航線規(guī)劃

由于測區(qū)高差約20 m，采用四旋翼無人機搭載5鏡頭傾斜相機即可完成影像數(shù)據(jù)的采集。航飛高度80 m，航向、旁向重疊度均設(shè)置為85%，地面影像分辨率0.013 m，具體規(guī)劃的航線示意圖如圖2。

圖2 航線規(guī)劃圖Fig.2 Route plan

2.4 控制點測量

為了提高成果精度，點位采取噴涂方式進行。采用紅色油漆，間隔200 m左右，均勻地在地面上噴涂大小為80 cm的對三角形，點位采集在2個三角形對接的地方。要求采集的點位均為固定解，且每個點位至少采集3次，每次采集的點位較差均小于1 cm。共采集控制點45個，檢測點23個，實地采集控制點的照片如圖3所示。

圖3 控制點實地點位圖Fig.3 Control point field map

2.5 影像數(shù)據(jù)獲取

在確保安全的情況下，按照空域批準(zhǔn)文件要求，進行無人機的起飛與影像數(shù)據(jù)的獲取。正式作業(yè)前，需對電池安裝、螺旋槳安裝等進行檢查，在地面進行試拍，確保內(nèi)存卡可以正常寫入數(shù)據(jù)，POS記錄裝置正常運行。在完成航飛前檢查后，通過地面站和遙控器控制無人機起飛，按照規(guī)劃好的航線完成任務(wù)區(qū)影像數(shù)據(jù)的獲取，共獲得8 545張有效影像。

2.6 數(shù)據(jù)預(yù)處理

冗余影像剔除。結(jié)合飛機飛行方向、航線與相機安裝之間的關(guān)系，在不影響模型成果的前提下，手動刪除無效影像1 580張，剩余6 965張影像用于空三解算和模型生產(chǎn)。

POS與影像不對應(yīng)改正。以下視相機獲得的POS為標(biāo)準(zhǔn)，利用matlab軟件開發(fā)的POS解算工具，對4個側(cè)視鏡頭的POS進行解算，使得POS和影像一一對應(yīng)。

影像畸變處理。5個相機在出廠時已經(jīng)進行了檢校，在作業(yè)時，并未對相機再次進行檢校?？紤]到側(cè)視相機獲取的影像畸變大，對成果精度有一定的影響，為了提升成果精度，提高空三通過率，隨機選取連續(xù)的300張影像(5×60)進行空三解算，在完成相對定向后，得到了精度較高的相機參數(shù)，利用高精度相機參數(shù)來去除影像產(chǎn)生的畸變。

2.7 空中三角測量解算

空三解算在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中是最重要的一個環(huán)節(jié)，空三的結(jié)果直接決定后期模型的精度。作業(yè)時，利用預(yù)處理后的成果，進行空中三角測量解算。解算時，采用Bentley 公司的Context Capture Center軟件進行，主機配置內(nèi)存為128 G，輔機電腦配置為64 G，利用集群技術(shù)進行空三解算，平差環(huán)節(jié)由主機獨立完成。在數(shù)據(jù)解算結(jié)束后，通過人機交互的方式查看空三成果的質(zhì)量，通過查看，空三成果符合實際情況，空三報告中加密點中誤差為0.011 m，成果精度符合規(guī)范要求。

導(dǎo)入控制點，采用人機交互的方式對控制點進行轉(zhuǎn)刺。對測區(qū)邊緣和中心的控制點進行轉(zhuǎn)刺，進行平差，再對剩余的點位進行轉(zhuǎn)刺并平差，對精度不符合要求的點進行微調(diào)，直到所有控制點精度均符合規(guī)范要求。

2.8 實景三維模型生產(chǎn)

實景三維模型生產(chǎn)主要涉及瓦片大小、輸出坐標(biāo)系設(shè)置和輸出格式等。本次集群電腦中，內(nèi)存配置最低的為64 G，因此在瓦片設(shè)置時，設(shè)置其大小為200 m，所需內(nèi)存約30 G，未超過內(nèi)存的1/2，這樣可以盡可能在減少瓦片失敗的同時提升建模效率。為了盡可能保留建構(gòu)筑物的棱角結(jié)構(gòu)，在輸出模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，設(shè)置為0 m，這樣輸出的模型其棱角保留較為完整。模型輸出坐標(biāo)系和控制點坐標(biāo)系設(shè)置一樣，確保輸出成果可用。設(shè)置模型格式為OSGB，這種格式存在多層級金字塔，主要用來進行模型成果查看和地籍圖測繪，部分輸出的模型成果如圖4所示。

在模型輸出后，設(shè)置OSGB模型的索引文件，利用Smart3D Capture Viewer打開模型，對模型成果進行查看，主要檢查模型有沒有分層，模型有沒有嚴重拉花導(dǎo)致無法進行地籍圖測繪的情況。

在生產(chǎn)完模型后，再次設(shè)置參數(shù)，選擇真正射影像進行輸出。格式選擇tif，分辨率設(shè)置0.05 m，由于是基于模型輸出的真正射影像，所以很快就完成了真正射成果的輸出，部分成果如圖5所示。

圖5 部分數(shù)字真正射影像成果Fig.5 Result of some real projection of numbers

2.9 地籍圖采集入庫

利用北京清華三維EPS軟件進行地籍圖采集及入庫。進入軟件，在三維測圖模塊下點擊“OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”，加載對應(yīng)的模型成果和xml文件，進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，選擇定制版的房地一體項目對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，將模型和真正射影像加載到軟件中，進行房屋及其宗地的測繪。為了提高采集效率，在采集規(guī)則的矩形房屋時，采用軟件中自帶的“五點房”命令，這樣不但采集效率高，且采集的房屋夾角為直角，符合實際情況。針對不同房屋，采用不同方式進行采集，并在采集過程中完成相對應(yīng)的屬性填充。采集完成后，利用軟件中質(zhì)檢模塊對采集的成果進行質(zhì)檢，根據(jù)質(zhì)檢情況，修改質(zhì)檢中的錯誤，直到通過軟件的質(zhì)檢，采集的部分地籍圖成果如圖6所示。

圖6 部分地籍圖成果Fig.6 Result some cadastral map

2.10 精度評定

采用高精度中誤差檢測方法，對23個檢測點進行精度檢測，檢測統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 檢測點檢測精度統(tǒng)計表 cmTab.1 Statistical table of detection accuracy of detection points cm

點號較差DX較差DY較差DSJC132.63.64.4 JC142.74.14.9 JC152.93.14.2 JC163.53.14.7 JC173.82.24.4 JC184.52.65.2 JC194.13.55.4 JC205.54.37.0 JC213.32.64.2 JC224.83.86.1 JC234.93.3 5.9

通過上表可以看出，23個檢測點中，X方向和Y方向最大的殘差分別為±5.5 cm和±4.9 cm，XY方向最大殘差為±7.0 cm，23個點的中誤差為±2.3 cm，均未超過地籍規(guī)范要求，表明本次成果精度良好，成果可用。

3 結(jié)語

對采集的檢測點進行精度檢測，結(jié)果表明：采用本方法生產(chǎn)的地籍圖，檢測點平面位置中誤差為±0.023 m，成果精度可以滿足地籍規(guī)范要求，可以為農(nóng)村房地一體項目的開展提供參考。