无人机倾斜摄影测量在房地一体项目中的应用研究

马婷

(天水三和数码测绘院有限公司,甘肃 天水741000)

“房地一体”登记确权是我国实施乡村振兴战略、推动农村制度改革,加快城乡融合发展等工作的基础[1],然而农村“房地一体”不动产登记任务重、难度大、工期紧,是面临的一个主要问题。传统的地籍测量是利用全站仪、RTK、卷尺等工具,对房屋坐标和距离进行采集,但是这种作业方式工作量大、效率低、入户难、成本高、风险高,不能确保按时完成任务,寻求一种高效的作业方式是非常紧迫的一项任务。倾斜摄影是近年来发展起来的一项高新技术,具备采集数据灵活、分辨率高、地物信息丰富、产品精度高等特点,受到越来越多企业的追捧。用倾斜摄影技术生产大比例尺地形图已经是目前的主流技术,然而采用倾斜摄影生产地籍图,目前学者研究的并不多,因此,如果掌握倾斜摄影生产地籍图的作业方式,会为同行业人员提供一种地籍图生产方式,提高作业效率。本文主要对无人机倾斜摄影测量技术和工作流程进行了简单讲解,并以实际生产项目为例进行工作流程的验证,最后对采用倾斜摄影方式获得的地籍图成果精度进行检测,结果表明：本文的方法生产的地籍图精度满足地籍测绘规范(CH 5002-94),可按本文的方法大规模展开作业。

1 无人机倾斜摄影测量技术和工作流程

1.1 无人机倾斜摄影测量技术

图1 无人机倾斜摄影测量工作流程

无人机倾斜摄影测量[2-3]是指在无人机飞行平台上搭载多视角倾斜航摄仪和GPS/IMU 设备,然后对地面物体从空中多个视角进行拍摄,经过专业软件对拍摄的影像数据进行解算,依据共线方程恢复摄影时相机曝光点和影像上地物之间的相对关系,从而确定地物点坐标在相机曝光时坐标系下的位置,然后通过导入像控点,通过局域网联合平差,将相机所在的坐标系统转换到像控点所在的坐标系统下,从而获得符合生产要求的测绘成果。

1.2 无人机倾斜摄影测量工作流程

无人机倾斜摄影测量分为外业和内业两部分[4-5],外业主要是指原始影像的航摄和像控点的喷涂与采集,内业主要是指三维模型生产和地籍图生产,具体流程见图1。

2 项目验证

2.1 项目区概况

项目区地形属于带状区域,两侧有海拔不等的山,房屋位于两山之间,分布较集中,面积约0.9km2。房屋所在区域高差较小,最大约10 米,属于典型的高山地地形。

2.2 航线规划及数据获取

结合地形和地籍测量精度指标以及地面分辨率和模型分辨率之间的对应关系,本次采用三和数码SH-20X 六旋翼无人机进行航摄数据获取。地面采样分辨率设置为1.5cm,航向、旁向重叠度均设置为80%,航高设置为85 米。结合飞机的有效飞行面积,本次飞行划分为2 架次,并对测区最外围外扩两个航高的距离,以保证测区最外围房屋侧面信息完整。在三和数码地面站进行上述参数设置后,完成航线规划。在天气晴朗时进行航摄,共获得5 镜头航摄影像13560 张。

2.3 像控地标喷涂及采集

由于地籍项目精度要求高,所以在航摄之前已对测区进行地标喷涂,采用红色和白色油漆,喷涂对立的三角形。结合倾斜摄影的特点,在像控点布设时,无需考虑航线数目,按照150-200 米的距离在测区均匀喷涂像控点地标,共布设像控点32 个。本次成果要求坐标系为2000 国家大地坐标系,高程基准为大地高,按照高斯- 克吕格3 度投影进行转换。像控点使用GPS-RTK 采集,每个点位采集三次,最后点位坐标为三次采集坐标值的平均值。对于采集到的大地高,采用省级似大地水准面精化成果将大地高转换为正常高。在采集像控点的过程中,对点位进行实地拍摄,有助于精准快速对点位进行判读。为了检测后期地籍成果的精度,在测区内随机采集了25 个检测点,检测点分布于整个测区,且都为房角点,采集的同时也进行了实地照片拍摄。

2.4 数据预处理

利用Photoshop 软件对获取的影像进行匀光匀色处理,提高影像的质量。删除无效影像,利用拖把更名器软件对5 镜头影像进行重命名,确保所有影像无重名。利用Ultra Edit 软件对航飞原始pos 数据进行批量处理、更名,确保影像和位置信息一一对应。对像控点原始数据进行整理,得到最终可用的像控点成果表。

2.5 空中三角测量及平差调整

本次建模使用Context Capture 软件,新建工程,导入影像数据和pos 数据,设置引擎运行路径,完善工程中各相机参数。针对Context Capture 软件空三加密失败率高,成果容易出现分层、弯曲的问题,本文采取对相机的内方位元素进行优化的作业方式。在对数据处理之前,首先加载每个镜头的前100 张有效影像进行数据解算,待解算完成后,获取每个镜头的相机参数,主要是指内方位元素和畸变参数。加载所有的影像,导入外方位元素,用解算出来的相机参数完善工程中的焦距等,这样可以提高空中三角测量的成功率。在空三加密参数设置中,默认通用的匹配方式即可,提交任务,开启引擎,任务开始运行。

待空三解算完成后,结合空三加密质量报告和人眼交互查看空三成果的方式,对解算的成果进行查看。报告中给出加密点中误差为0.56 个像素,重投影中误差为0.61 个像素,精度小于2/3 个像元,成果精度符合要求。通过交互查看,空三成果无分层,无完全变形,成果可用。

由于无人机搭载的是非量测数码相机,加之倾斜方式进行数据采集,导致影像边缘变形严重。本次搭载的5 镜头相机,侧视镜头与垂直镜头夹角呈45 度,结合分辨率与航高的关系,可知侧视镜头影像边缘分辨率与垂直镜头的差异大,如果对边缘的像控点点位进行转刺,会影响到空中三角测量整体的精度。综上,本次在对像控点进行转刺时,通过目视判断,对位于影像边缘1/10 外的像控点点位不进行转刺。

设置坐标系,导入整理后的像控点成果,对像控点进行转刺。首先对每个镜头每个点位转刺3-5 张影像,然后进行平差。在平差的基础上,对剩余的符合优化条件的点位进行转刺并平差,这样可以提高像控点转刺的效率,也可以提高整个空三加密成果的精度。

通过对平差质量报告查看,本次像控点平面点位中误差为0.021m,高程点位中误差为0.034m。结合地籍成果要求精度,本次空三成果符合生产需求。

导出平差后的含有连接点的空三成果,坐标系选择与像控点坐标系一致,并输出纠正畸变后的影像。

2.6 三维模型生产

在平差精度符合要求后,开始生产实景三维模型。首先根据像控点的坐标系设置空间框架参考系统,按照规则平面格网切块,导入测区范围线,根据电脑内存大小设置瓦片大小为100m*100m,然后几何简化选择平面,容差设置为0 米,尽可能保留建筑物顶点结构。任务提交里,选择输出模型的格式为*.OSGB,空间参考系统和像控点的一致,提交任务待模型生产完成。

3 倾斜摄影成果矢量采集

利用清华三维的EPS 软件,将空三加密成果恢复到EPS 软件中,并导入实景三维模型,然后利用EPS 对房屋进行采集。对于模型结构完整的房屋,可在模型上直接采集,这样效率更高；对于模型结构变形、拉花严重,无法判断房屋边缘、顶点的房屋,可利用恢复好的立体像对在立体环境下进行采集,这样可以弥补裸眼采集精度的不足,但是效率较低。

4 精度评价

利用已有的25 个房角检测点,采用高精度检测方式对采集编辑完成后待提交的地籍成果,利用EPS 软件进行精度检测,各检测点平面精度见表1 所示。

表1 各检测点平面精度检测表

本次项目验证,平面点位误差最大为6.4cm,最小为2.9cm,无超过2 倍中误差的检测点,利用高精度中误差计算公式对检测点进行计算时,所有检测点都是有效的,通过计算可得本次项目的平面点位中误差为4.7cm,符合地籍测图要求,成果可用。

5 结论

针对传统地籍测量存在的诸多问题,本文采用无人机倾斜摄影测量技术来代替传统的作业方式,利用无人机进行数据采集,结合建模软件和地籍图采集编辑软件进行地籍数据的生产,并对各重要环节进行了优化。首先对Context Capture 的空三加密环节作业方法进行了优化,提高了空中三角测量的精度,尽可能保留了建筑物顶点结构；其次在地籍图采集环节,利用多视影像恢复立体像对,结合实景三维模型进行虚拟- 真实混合采集方式,对于模型拉花的房屋,可采用恢复立体像对的方式进行立体采集,对于模型完好的房屋,可采用裸眼方式进行采集。通过虚拟- 真实混合采集方式,不但提高了地籍图成果的精度,而且较传统地籍测量方式,作业效率显著提升,节约了大量的时间和成本。本文提出的方法具有一定的实用价值和推广价值,可保障农村房地一体不动产登记确权项目顺利按时完成。