傾斜攝影測量技術(shù)在房地一體中的應(yīng)用

郝祥俠，王新鵬

(1.安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，安徽 合肥 230022；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

農(nóng)村房地一體確權(quán)登記工作是黨中央的一項重大惠民工程，對于農(nóng)民來說最直觀的好處可以總結(jié)為3個層面：一是明晰產(chǎn)權(quán)；二是化解產(chǎn)權(quán)糾紛；三是房權(quán)信息更加完整準(zhǔn)確。傳統(tǒng)方法使用全站儀、GNSS RTK等進(jìn)行測量，其效率低下[1]，需要耗費大量的人力、財力、物力，大大增加項目的投入[2]。為了解決上述問題，本文提出使用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)開展此項工作。結(jié)合生產(chǎn)實際闡述了該技術(shù)在農(nóng)村房地一體中的作業(yè)流程并對測繪成果的絕對精度和相對精度進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，此技術(shù)可獲得精度符合要求的測繪產(chǎn)品。

2 傳統(tǒng)測量方法

在低空無人機(jī)測量技術(shù)還未普及之前，農(nóng)村房地一體工作中采用GNSS RTK和全站儀結(jié)合來完成地形圖測繪工作[3]。其測量流程分為控制測量、碎步點測量。高等級控制測量采用靜態(tài)GPS測量，圖根控制點采用RTK來施測，RTK與全站儀結(jié)合完成碎步點采集。但遇密集村莊時，就會遇見架站次數(shù)多、外業(yè)作業(yè)效率低、精度難以控制的情況。

3 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影是相對垂直攝影來說的，傾斜攝影是指在飛行平臺上，同時搭載多臺航攝儀，從不同角度獲取影像數(shù)據(jù)。通常所說的5鏡頭航攝相機(jī)，也是傾斜相機(jī)的一種，其由1個下視相機(jī)和4個側(cè)視相機(jī)組成[4]，下視相機(jī)主要獲取被攝物體的頂部信息，側(cè)視相機(jī)主要從不同角度，獲取被攝物體的側(cè)面信息。通常側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)之間的夾角介于30°到60°之間[5]，為了獲取的影像有用信息更多，減少遮擋帶來的盲區(qū)，夾角為45°效果最好[6]。利用此技術(shù)進(jìn)行三維模型的生產(chǎn)，然后基于模型進(jìn)行測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)，這種方式稱為傾斜攝影測量[7]。

傾斜攝影技術(shù)在房地一體中具有以下優(yōu)勢：①縮短外業(yè)作業(yè)時間，少量架次完成村莊的數(shù)據(jù)采集工作，將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)進(jìn)行，減小技術(shù)人員勞動強(qiáng)度；②測繪產(chǎn)品更加豐富，可生成DOM、DSM、DEM、DLG及三維模型成果。但該技術(shù)也有不足之處：①電池續(xù)航能力不足，只適合小面積地形圖生產(chǎn)；②成果的質(zhì)量受地表植被和覆蓋物影響，例如村莊內(nèi)樹木對房屋遮擋比較大，模型采集比較困難，影響測量精度，還需要利用其他方法進(jìn)行補(bǔ)測。

4 無人機(jī)傾斜攝影測量流程

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)需要依托計算機(jī)視覺原理進(jìn)行影像三維重建，該技術(shù)能在不給出相機(jī)相關(guān)信息的條件下，智能恢復(fù)曝光瞬間，相機(jī)內(nèi)方位元素、相機(jī)位置、三維點云數(shù)據(jù)信息，實際使用要求根據(jù)實際場景的真實坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為立體信息[8]。所以在確定航攝范圍后，最先要在測繪區(qū)域內(nèi)設(shè)置像控點、GNSS RTK進(jìn)行施測，依據(jù)事先設(shè)定好的飛行路線，利用無人機(jī)搭載的傾斜式攝影系統(tǒng)獲得地表多角度數(shù)據(jù)(1個下視方向和4個側(cè)視方向)，在航飛任務(wù)完成后對其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并檢查飛機(jī)的飛行質(zhì)量和獲取影像的質(zhì)量，以保證數(shù)據(jù)符合要求。通過獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，最終依托EPS平臺成圖。

4.1 像控點的布設(shè)

因農(nóng)村房地一體項目對界址點的精度要求高，為確保成果的質(zhì)量，像控點應(yīng)均勻布設(shè)在硬化、無遮擋地刷油漆做記號，常用標(biāo)記為“L”形[9]。并將點號標(biāo)注在像控點附近，點間距保證在100m以內(nèi)。實地選點時，應(yīng)考慮側(cè)視相機(jī)方向是否會被遮擋。對高程急劇變化的斜坡、圓山頂、跟地面有明顯高差的房角等以及航攝后有可能變化的地方，均不應(yīng)當(dāng)做選擇目標(biāo)。

4.2 航線的規(guī)劃

對于農(nóng)村房地一體項目：在低密度房屋測量區(qū)域采用掃描航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；在高密度房屋測量區(qū)域采用“井”字航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，航線與測區(qū)內(nèi)大部分房屋朝向均呈30°～45°，保證房屋四面掃描完整。

4.2.1相對航高

H/f=GSD/α

(1)

式中，H—相對航高；f—相機(jī)焦距；GSD—地面分辨率；α—像元大小。

根據(jù)(1)式可以看出：在相機(jī)確定的情況下，要想獲得高精度的產(chǎn)品，相對航高H是至關(guān)重要的。經(jīng)在多個項目實施中得出：在農(nóng)村房地一體項目中，獲得滿足精度要求的產(chǎn)品，相對航高控制在100m以內(nèi)。

4.2.2重疊度

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料得知，航向重疊度不得小于53%，常規(guī)設(shè)置區(qū)間是在60%～80%之間，旁向重疊度不得低于8%，常規(guī)設(shè)置區(qū)間在15%～60%之間[10]。但由于農(nóng)村房地一體項目的特殊性，該工藝要求同時兼顧地物遮擋和形變關(guān)系，所以重疊度都需要適當(dāng)設(shè)置高一些，將二者均設(shè)置在80%以上。

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

將相機(jī)5組鏡頭相對應(yīng)的5組影像和pos數(shù)據(jù)導(dǎo)出，核查照片數(shù)量與POS數(shù)據(jù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象；檢查照片質(zhì)量，是否有模糊不清等情況。檢查完成后如存在質(zhì)量問題需重新補(bǔ)飛，若無質(zhì)量問題，采用軟件對影像數(shù)據(jù)、pos數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)文件等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成Context Capture工程索引文件(.block文件)。

4.4 構(gòu)建三維模型

本次利用CC軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件涵蓋Master、Engine、Viewer等模塊。利用該軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量，通過點云加密算法將稀疏點云生成密集點云，再將密集點云進(jìn)行網(wǎng)格化和紋理映射，利用像控點數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)坐標(biāo)系統(tǒng)下的三維模型。其具體工作流程如下：

4.4.1新建工程

打開CC軟件，新建一個工程(工程項目路徑應(yīng)為英文)，在新建工程內(nèi)建立一個塊(BLOCK)，將已預(yù)處理過的*.block文件數(shù)據(jù)加載到工程中，待完成后，可以通過3D View查看到空間效果[11]。由于無人機(jī)pos信息通常僅使用WGS-84坐標(biāo)，沒有姿態(tài)角信息，所以顯示為黃色，可以通過預(yù)覽空間效果圖對飛行質(zhì)量進(jìn)行初步評估。

4.4.2空中三角測量計算

為了還原像片之間相對位置關(guān)系，在沒有導(dǎo)入像控點成果前進(jìn)行一次空中三角測量計算，自動匹配同名點，經(jīng)過第一次的空中三角測量解算后，可以預(yù)測像控點的位置，提高像控點刺點效率。第一次空中三角測量完成后，將像控點成果導(dǎo)入CC軟件，在3D View下查看像控點對應(yīng)的空間分布，確定空間點位分布無誤后，保存像控點信息。依據(jù)外業(yè)點之記和照片，將像控點刺在比較精準(zhǔn)的位置上。為了提高刺點效率，可以先刺像控點對應(yīng)的下視方向像片，軟件可自動計算預(yù)測剩余的像控點位置。在完成刺點工作后，再一次提交空中三角測量解算，此時系統(tǒng)利用像控點對區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差，將區(qū)域網(wǎng)模型納入到大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對定向。空中三角測量完成后，同時會生成空中三角測量成果質(zhì)量報告，查看質(zhì)量報告是否符合基本精度要求。如果精度不符合要求的話，可以調(diào)整像控點刺點位置和計算參數(shù)的設(shè)置，直到空中三角測量成果符合要求為止。

4.4.3三維模型生產(chǎn)

在空中三角測量精度達(dá)到所滿足的精度要求和查看空中三角測量關(guān)系模型無明顯錯誤后，可進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。選擇CC軟件中新建重建項目Reconstruction，設(shè)置參考坐標(biāo)系。CC軟件實景建模系統(tǒng)的三維重建過程是利用瓦片技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行瓦片的分瓦，分瓦的類型一般選擇規(guī)則平面方格，分瓦大小的選擇要保證最大瓦片的大小不大于建模節(jié)點的最大運行內(nèi)存的2/3，最后提交工程，選擇所需要數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型(Open Scene Gragh Binary)，生成三維模型和真正射影像。

4.5 內(nèi)業(yè)矢量化

利用EPS地理信息平臺的二三維聯(lián)動一體化模式進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集。CC軟件生成的三維模型成果(Open Scene Gragh Binary)導(dǎo)入到EPS軟件中需要建立一個索引文件(三維測圖子菜單下的OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)，將CC生成的data文件即瓦片數(shù)據(jù)與***.xml文件導(dǎo)入生成DSM文件。轉(zhuǎn)換后，在三維測圖子菜單中選擇加載本地傾斜模型，選擇生成的DSM文件，同時可以采用分屏方式加載正射影像，使其同步如圖1所示，可實現(xiàn)二維或三維狀態(tài)下的地物、地貌要素的采集。模型加載完成后，在三維界面進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)采集，提取地物、地貌要素輪廓，獲取矢量數(shù)據(jù)。對于房屋的采集在模型中利用交會法獲取房屋的輪廓形狀，再進(jìn)行構(gòu)面，對其賦予屬性信息。對于三維模型中盲區(qū)、地物、地貌變形、判讀不確定的區(qū)域，內(nèi)業(yè)采集時可進(jìn)行標(biāo)記，制作成工作底圖交由外業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行實地調(diào)繪與補(bǔ)測。最后對地形圖進(jìn)行修改與整飾，完成矢量化工作。

圖1 二三維聯(lián)動一體化

5 成果精度分析

采用高精度檢測的方法對農(nóng)村房地一體項目測繪成果的絕對精度和相對精度進(jìn)行檢測，25個點位絕對精度見表1，30條邊的相對精度見表2。

表1 平面絕對精度統(tǒng)計表

表2 平面相對精度統(tǒng)計表

通過表1可知：25個檢測點中，點位較差最大為6.4cm，最小為3.1cm，點位中誤差為4.7cm，滿足精度要求，成果可用。

通過表2可知：30條檢測邊中，較差最大為7.8cm，最小為2.9cm，中誤差為5.2cm，滿足精度要求，成果可用。

6 結(jié)語

本文提出采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)實施農(nóng)村房地一體項目，闡述了該技術(shù)的作業(yè)流程，利用該技術(shù)獲取傾斜影像并構(gòu)建三維模型，采用EPS二三維一體化測圖技術(shù)測繪地形圖且能滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范的精度要求。和傳統(tǒng)測量方法對比，該方法能夠大大減少人力、財力、物力的浪費，削減了技術(shù)人員作業(yè)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，還可以展現(xiàn)DOM、DSM、DEM、DLG及三維模型等產(chǎn)品。因此該方法值得推廣應(yīng)用。