無人機(jī)傾斜攝影測量在農(nóng)村房地一體中的應(yīng)用研究

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)地籍測繪效率低、入戶難、風(fēng)險(xiǎn)大等問題，文章在分析傾斜攝影測量技術(shù)后，提出采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地籍測量。首先對(duì)任務(wù)區(qū)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)采集和像控點(diǎn)測量，然后進(jìn)行空中三角測量解算和實(shí)景三維模型生產(chǎn)，最后進(jìn)行地籍測繪。利用實(shí)地采集的房角點(diǎn)坐標(biāo)和丈量的房屋邊長對(duì)地籍成果精度進(jìn)行檢測統(tǒng)計(jì)。經(jīng)檢測，其界址點(diǎn)精度和房屋邊長精度均可滿足地籍測繪二級(jí)精度要求，可以為農(nóng)村房地一體項(xiàng)目測繪提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；實(shí)景三維模型；地籍測量；房地一體項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：TP39；P231? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）13-0122-04

Research on the Application of UAV Tilt Photogrammetry in Rural Housing and Land Integration

ZHAO Yongzhi

（Longnan Bureau of Natural Resources， Longnan? 746000， China）

Abstract： In view of the low efficiency， difficulty in entering the household and high risk of traditional cadastral surveying and mapping， this paper analyzes the tilt photogrammetry technology， and proposes to use the tilt photogrammetry technology for cadastral surveying. Firstly， tilt image data collection and control point measurement are carried out on the task area， followed by aerial triangulation calculation and production of realistic 3D models. Finally， cadastral surveying and mapping are carried out. Use the coordinates of the corner points of the house collected on site and the measured length of the house to test and count the accuracy of the cadastral results. After testing， the accuracy of the boundary point and the accuracy of the house edge can meet the secondary accuracy requirements of cadastral surveying and mapping， which can provide reference for the surveying and mapping of rural housing and land integration projects.

Keywords： tilt photography; realistic 3D model; cadastral surveying; housing and land integration project

0? 引? 言

地籍測繪，主要測量界址點(diǎn)和丈量界址線距離。傳統(tǒng)的地籍測繪，是使用全站儀、GPS-RTK進(jìn)行界址點(diǎn)坐標(biāo)的采集，利用卷尺進(jìn)行界址線距離的丈量。利用全站儀進(jìn)行測量，要求設(shè)站點(diǎn)與被測點(diǎn)之間通視，否則就需要更換設(shè)站點(diǎn)的位置，這樣頻繁換站，嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。GPS-RTK在測量時(shí)，要求氣泡居中，這樣測量的才準(zhǔn)確，但是由于遮擋的原因，氣泡很難居中，因此采集的成果精度不高[1-3]。利用卷尺或者鋼尺進(jìn)行界址線距離丈量，短距離可以一次性完成，對(duì)于比較長的界址線，則要多次測量求和，這樣誤差就會(huì)積累，導(dǎo)致測量精度低。而且這種作業(yè)方式，都要求必須現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)，測量加記錄至少需要3人，作業(yè)效率低，外業(yè)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。碰到農(nóng)忙時(shí)期，在對(duì)院內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，會(huì)因家中無人而無法入戶作業(yè)，增加了作業(yè)成本。房地一體項(xiàng)目要求工期緊，成果質(zhì)量高，采用傳統(tǒng)方法，很明顯很難按時(shí)高質(zhì)量完成項(xiàng)目。傾斜攝影是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新型的攝影測量方式，其由于搭載的相機(jī)多，獲取的影像有效數(shù)據(jù)更多，且可以超低空作業(yè)，獲取高分辨率的影像，因此其獲取的測繪產(chǎn)品精度要比垂直攝影測量的精度高[4-7]。為了保障房地一體項(xiàng)目能按時(shí)高質(zhì)量完成，將傾斜攝影測量技術(shù)引入房地一體測量項(xiàng)目中來，其是非常有必要的。本文分析了無人機(jī)傾斜攝影測量的原理，介紹了目前傾斜攝影數(shù)據(jù)解算常用軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)傾斜攝影在地籍測繪中的作業(yè)流程進(jìn)行了簡單說明。以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)作業(yè)流程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，最后從界址點(diǎn)精度和界址線距離精度兩方面對(duì)地籍成果精度進(jìn)行了檢測評(píng)定。通過檢測可知，采用傾斜攝影生產(chǎn)的地籍圖，其精度可以滿足地籍測繪二級(jí)精度要求，可以為房地一體項(xiàng)目順利完成提供保障。

1? 無人機(jī)傾斜攝影

1.1? 傾斜攝影測量原理

無人機(jī)傾斜攝影是指在飛行平臺(tái)上，搭載多個(gè)航攝儀，從多個(gè)角度從空中對(duì)地面進(jìn)行航攝影像數(shù)據(jù)的采集。相對(duì)傳統(tǒng)的垂直攝影測量來說，傾斜攝影測量搭載的航攝儀，其角度并非與地面垂直，而是與地面呈一定的夾角。傾斜航攝儀最常見搭載的是5鏡頭相機(jī)，其由4個(gè)側(cè)視相機(jī)和1個(gè)下視相機(jī)組成。側(cè)視相機(jī)通常與下視相機(jī)呈45°夾角，主要獲取被攝物體的側(cè)面紋理數(shù)據(jù)，而下視相機(jī)則垂直于地面，獲取被攝物體的頂部紋理數(shù)據(jù)[8]。通過攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后得到實(shí)景三維模型成果，并在該模型上，完成一系列高精度測繪產(chǎn)品的制作。

1.2? 傾斜攝影測量軟件

目前傾斜攝影測量軟件較多，但各軟件的優(yōu)缺點(diǎn)比較明顯，比如Mirauge 3D軟件，其在解算傾斜攝影數(shù)據(jù)時(shí)，空三成功率高，但是精度較差，模型精細(xì)度無法滿足測繪需求；Context Capture軟件，其空三精度高，生產(chǎn)的模型精細(xì)度高，但是空三解算易失敗；PhotoScan軟件，解算空三成功率高，但是模型精細(xì)度較差。在對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算時(shí)，要結(jié)合項(xiàng)目要求，選擇不同的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，也可以通過不同軟件組合使用，來達(dá)到項(xiàng)目要求。

1.3? 傾斜攝影在地籍測繪中的作業(yè)流程

傾斜攝影測量在地籍圖測繪中，主要包括兩部分內(nèi)容，即外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)工作。外業(yè)工作主要包括航飛前的測區(qū)勘察、像控點(diǎn)測量、航線規(guī)劃、影像數(shù)據(jù)采集；內(nèi)業(yè)工作主要包括前期數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、空中三角測量解算、像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺與平差、三維密集點(diǎn)云生產(chǎn)、TIN構(gòu)建、紋理自動(dòng)映射貼圖、實(shí)景三維模型格式的轉(zhuǎn)換與輸出，基于三維模型進(jìn)行地籍測繪。其主要的作業(yè)流程如圖1所示。

2? 案例分析

2.1? 任務(wù)區(qū)概況

本次任務(wù)區(qū)位于甘肅隴南某一農(nóng)村，任務(wù)區(qū)內(nèi)約有宗地130宗，任務(wù)區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，房屋主要以一層為主，有少量二層、三層房屋，房屋分布無規(guī)律，采用傳統(tǒng)方法，作業(yè)效率低，無法按時(shí)完成任務(wù)。在分析了傾斜攝影測量技術(shù)后，提出采用傾斜攝影的方式進(jìn)行本次任務(wù)區(qū)內(nèi)地籍圖的測繪。

2.2? 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.2.1? 像控點(diǎn)測量

像控點(diǎn)測量分為像控點(diǎn)的布設(shè)和像控點(diǎn)坐標(biāo)值的測量。本次布設(shè)按照100 m的間隔均勻布設(shè)，在任務(wù)區(qū)邊緣加密布設(shè)，保證任務(wù)區(qū)邊緣有足量的像控點(diǎn)。在測量像控點(diǎn)時(shí)，為了能夠保證測量的像控點(diǎn)精度更高，而且和周邊地物反差更大，像控點(diǎn)點(diǎn)位用黑色的布料或者黑色油漆噴涂，點(diǎn)位靶標(biāo)形狀噴涂為“L”，并采集其內(nèi)角點(diǎn)坐標(biāo)。像控點(diǎn)每個(gè)點(diǎn)位采集次數(shù)不少于3次，每次平滑次數(shù)不低于20次，同一點(diǎn)位坐標(biāo)值較差要求小于1 cm，符合要求后，拍攝實(shí)地照片，標(biāo)注編號(hào)，即完成點(diǎn)位坐標(biāo)值的采集，如圖2所示。檢查點(diǎn)采集時(shí)，要求分散在整個(gè)任務(wù)區(qū)內(nèi)，且采集的對(duì)象是房角點(diǎn)、宗地角點(diǎn)，用于后期宗地和房產(chǎn)圖精度的檢測，采集要求和像控點(diǎn)相同。

2.2.2? 航線規(guī)劃與影像采集

航線的規(guī)劃，優(yōu)先要選擇相機(jī)，本次航攝作業(yè)選用賽爾102S相機(jī)，該相機(jī)像幅適中，航攝影像清晰度高，獲取的影像畸變小。設(shè)置相對(duì)航高為95 m，航向、旁向重疊度為85%，任務(wù)區(qū)起飛點(diǎn)海拔高度為1 550 m。為了后期成果精度盡可能滿足項(xiàng)目要求，本次設(shè)置航攝影像地面分辨率為1.5 cm，航攝四周外擴(kuò)190 m，這樣可以保證任務(wù)區(qū)邊緣模型完整，精度符合要求，具體的航線規(guī)劃參數(shù)如圖3所示。

將規(guī)劃好的航線參數(shù)導(dǎo)入到地面站軟件中，在地面站軟件中控制無人機(jī)起飛，完成影像數(shù)據(jù)的采集。在正式作業(yè)前，對(duì)相機(jī)、內(nèi)存卡等進(jìn)行全面檢查，確保均處于可使用狀態(tài)。在起飛環(huán)境安全時(shí)，控制無人機(jī)按照規(guī)劃好的航線起飛、獲取影像數(shù)據(jù)、飛機(jī)降落，導(dǎo)出影像和POS數(shù)據(jù)，完成本次航攝任務(wù)。

2.3? 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.3.1? 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）提升影像質(zhì)量。本次航飛成果亮度整體偏暗，在PhotoShop軟件中，手動(dòng)調(diào)整對(duì)比度、亮度、色階，完整一幅影像的顏色調(diào)整，并將調(diào)整參數(shù)記錄下來，設(shè)置為動(dòng)作，批量掛機(jī)完成所有影像數(shù)據(jù)的亮度調(diào)整。

2）相機(jī)參數(shù)優(yōu)化。本次航攝使用的相機(jī)，其較長時(shí)間未進(jìn)行檢校，相機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確度低，為了保證后續(xù)數(shù)據(jù)解算精度高，需要進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的優(yōu)化。從5個(gè)鏡頭中各選取少量影像，并在Context Capture軟件中進(jìn)行空中三角測量解算，從而得到解算后的相機(jī)參數(shù)。得到的相機(jī)參數(shù)，都是通過解算得到的，其精確度更高。

2.3.2? 空中三角測量解算

空三加密是攝影測量計(jì)算的核心，本次影像數(shù)據(jù)量并不大，為了保證空三精度和模型精細(xì)度高，決定采用Context Capture軟件來完成空中三角測量的解算。新建工程，導(dǎo)入預(yù)處理后的影像和相機(jī)參數(shù)，加載影像對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)，設(shè)置工程路徑和任務(wù)路徑，提交任務(wù)，開啟引擎，完成空三加密的解算。查看空三報(bào)告，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.61個(gè)像素，精度雖然符合要求，但是精度整體偏低，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)，并完成像控點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺和平差。再次查看空三報(bào)告，加密點(diǎn)重投影誤差為0.43個(gè)像素，像控點(diǎn)中誤差為0.002 m，精度良好，可以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.3.3? 自動(dòng)化三維模型生產(chǎn)

空三加密得到的點(diǎn)，由于其密度低，不能準(zhǔn)確地描述地形高低起伏變化，因此需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行密集點(diǎn)云的匹配，傾斜攝影中被稱為多視影像密集匹配。通過匹配，得到高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但這都屬于離散的點(diǎn)，不能表述某個(gè)物體的結(jié)構(gòu)，因此需要將密集的點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛ゲ惠^差重疊的三角網(wǎng)，這種由點(diǎn)到面的過程被稱為不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，得到的模型被稱為白膜。然后基于三角網(wǎng)頂點(diǎn)和影像之間的關(guān)系，完成影像紋理的自動(dòng)映射貼圖，從而得到實(shí)景三維模型成果。本次在Context Capture軟件中，設(shè)置瓦片大小為100 m，平面簡化設(shè)置為0 m，輸出格式為OSGB，輸出瓦片重疊度為0.5 m，紋理貼圖質(zhì)量為100%。提交任務(wù)，開啟引擎，完整實(shí)景三維模型自動(dòng)化生產(chǎn)。部分得到的實(shí)景三維模型如圖4所示。

2.3.4? 高精度地籍測繪

本次地籍測繪采用EPS軟件完成。首先將OSGB格式的三維模型和XML文件加載到EPS軟件中，快速得到DSM成果數(shù)據(jù)，然后加載DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行地籍測繪。對(duì)于模型完整，未出現(xiàn)拉花區(qū)域，直接在三維模型的基礎(chǔ)上，選擇房屋圖層進(jìn)行矢量化；對(duì)于因遮擋而導(dǎo)致的模型拉花區(qū)域，則借助虛擬立體像對(duì)進(jìn)行界址點(diǎn)坐標(biāo)的采集，然后再將界址點(diǎn)連接起來，形成閉合的房屋或宗地。對(duì)于遮擋嚴(yán)重而導(dǎo)致內(nèi)業(yè)無法采集的房屋，如果是規(guī)則的，則采用延長線的方式交匯出對(duì)應(yīng)的界址點(diǎn)，如果不規(guī)則，則必須現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)充測量，這樣就可以得到精度高、更加完整的地籍成果。

3? 精度檢測與統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

地籍成果界址點(diǎn)不同等級(jí)精度規(guī)定[9]如表1所示。

本次采用外業(yè)采集的50個(gè)房角點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)地籍界址點(diǎn)精度進(jìn)行檢測，部分檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。采用外業(yè)丈量的30條邊長對(duì)地籍界址線距離精度進(jìn)行檢測，部分檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

本次精度檢測，界址點(diǎn)和界址線均未出現(xiàn)粗差，采用同精度中誤差計(jì)算公式，對(duì)界址點(diǎn)精度進(jìn)行計(jì)算，得到界址點(diǎn)中誤差為±7.5 cm；對(duì)界址線距離精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到較差平均值為13.5 cm。按照表1中的各項(xiàng)指標(biāo)，本次生產(chǎn)的地籍成果，其精度可以滿足地籍測繪二級(jí)精度要求。

4? 結(jié)? 論

本文將傾斜攝影測量技術(shù)引入到農(nóng)村房地一體項(xiàng)目中，并以實(shí)際項(xiàng)目為例，對(duì)該技術(shù)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過外業(yè)采集的房角點(diǎn)坐標(biāo)和丈量的界址線距離，對(duì)地籍圖上對(duì)應(yīng)的界址點(diǎn)和距離精度進(jìn)行了檢測，并結(jié)合CH 5002-94地籍測繪規(guī)范中的指標(biāo)，得出本文的方案可以得到滿足地籍測繪二級(jí)精度要求的地籍成果，可以為房地一體項(xiàng)目中地籍測繪帶來借鑒。

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作者簡介：趙永志（1980—），男，漢族，甘肅武都人，助理工程師，主要研究方向：不動(dòng)產(chǎn)測繪相關(guān)專業(yè)工作。

收稿日期：2023-02-27