基于無人機傾斜攝像技術的土地測量研究

曹玉琴

摘要：為了探究無人機傾斜攝像技術在土地測量中的應用，首先對無人機傾斜攝影技術基本理論進行了分析;然后以我國浙江省德清市某試驗區域為背景，以地籍圖測量為例，對數據采集及處理和地籍圖矢量化進行了介紹;最后結合RTK實地測量，對航測技術的精度進行了評定。試驗及研究表明，第一，無人機攝影測繪技術具有自動化程度高、測繪高效率及耗費時間短等優點;其次，地籍圖精度評定結果表明，航測技術所得精度完全滿足當前我國對1：1000地籍圖測量和1：500地形圖測量精度要求;最后，無人機傾斜攝像技術一次性覆蓋面少、相機質量低和獲取的數據量巨大目前仍舊為目前航測技術推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開更多的研究來實現技術突破。

關鍵詞：無人機;傾斜攝像技術;土地測量;精度評定

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

ResearchonLandSurveyBasedonUAVTiltCameraTechnology

CAOYuqin

（

ZhangyeLandPlanningandSurveyingInstitute，Zhangye734000，China

）

Abstract：ThispapertakesatestareainDeqingCityofZhejiangProvinceasthebackground，andtakescadastralsurveyasanexampletoexploretheapplicationofUAVtiltcameratechnologyinlandsurvey.Firstly，thebasictheoryofUAVtiltphotographyisanalyzed.Thenthedataacquisitionandprocessingandthevectorizationofcadastralsurveyareintroduced.Finally，combiningwithRTKfieldsurvey，theaccuracyofaerialsurveytechnologyisevaluated.Testandresearchshowthat，firstly，UAVphotogrammetrytechnologyhastheadvantagesofhighautomation，highefficiencyandshorttimeconsumption;secondly，theaccuracyevaluationresultsofcadastralmapshowthattheaccuracyobtainedbyaerialsurveytechnologyfullymeetsthecurrentrequirementsof1：1000CadastralMapSurveyand1：500TopographicMapSurveyinChina;finally，theUAVtiltcameratechnologyhasfewonetimecoverage，lowcameraqualityandhugeamountofdata.Atpresent，itisstillthebottleneckinthepromotionanduseofaerialsurveytechnology，whichneedsmoreresearchtoachievetechnicalbreakthrough.

Keywords：UAV;tiltcameratechnology;landsurvey;accuracyevaluation

0引言

隨著計算機和無人機等技術的迅猛發展，無人機航空攝影測量技術也逐漸被測量研究者和從業者所重視，無人機攝影測量技術也因其耗時短、人工成本低廉、可重復性強等優點而一直被視圖廣泛應用于土地測量中[12]。傳統的土地測量是利用全站儀、RTK等測繪儀器，人工現場采集數據并配合記錄現場實際物體的概況，后經內頁處理，形成電子版土地信息[3]。尤其在地籍圖測量中，完成一次全國性的地籍圖測量，采用傳統的方法需要耗費大量的人力和物力，而且受移動速度、透視環境、接受信號等限制，人工測繪的速度及其有限，實際的地籍圖變化情況很難得以及時更新[4]。對比之下，無人機攝影測繪技術因自動化程度高而帶來的高效率、短周期且能獲得三維數據等特點在土地測量中凸顯出了更具使用前景和研究的價值[56]。為此，本文以浙江省德清市某試驗區域為背景，以地籍圖測量為例，對基于無人機傾斜攝像技術的土地測量技術展開研究，旨于為無人機傾斜攝像技術在土地測量中加速推廣使用提供理論和技術支持。

1無人機傾斜攝影技術理論

無人機傾斜攝影系統作業數據采集流程如圖1所示。

無人機傾斜攝影系統外業數據采集流程，主要包含檢測設備進場、航攝前準備、航測數據獲取及航測后作業等4個方面[7]。因為現在飛行器不允許隨便飛行，隨意航測前應先對測區踏勘，出具初步航測設計方案并就航測飛行區域向相關部門提交申請，上述即為航測設備進場作業[8]。航測前準備工作包括航線設計，航測過程中既有設施、設備及人員和機器安全保護措施，及飛行器起飛前的檢查工作。航測準備工作完成后即可執行航測過程，航測后需要對數據備份并保障測量數據安全，然后確認相關設備設施的安全且沒有損壞。至此，一次航測作業完成，以下對無人機傾斜攝影的基本原理及數據采集進行簡要介紹。

1.1基本原理

無人機攝影測量是通過將攝像機搭載在無人機上，綜合無人機的飛行功能和攝像機的攝像功能來完成攝像的過程。為了保證精度和攝像范圍，一個無人機上往往搭載多個攝像機，搭載過程中攝像機的光軸與鉛錘方向有一定夾角，因此也稱之為無人機傾斜攝影，對于常用的5個攝像機的設備，一般搭設下視、前視、后視、左視和右視攝像機，其中下視為鉛錘視角，其余4個視角與鉛錘視角間夾角可在15°～45°之間進行調整[910]。無人機上搭載的一般為PostProcessingKinematic（PPK，GPS動態后處理差分）其精度完全滿足土地測量的需求，而RealTimeKinematic測量系統，雖然精度高，但目前尚無法滿足無人機高速飛行狀態下的位置記錄，為完成試驗數據驗證，本文采用RTK配合無人機校準測量區域坐標，如圖2所示。

選定試驗區域為我國浙江省德清市某地塊，選定區域面積為600m×400m，區域內無高大樹木和建筑，且沒有變電站等強磁場區域。

多視角攝像機通過時間核準其采集的圖像，配備相應的計算機系統控制多臺攝像機同時觸發攝像功能，集中采集土地信息數據并同步[11]。同時無人機攝像設備自帶的姿態測量裝置獲取每一個攝像機的姿態參數，并將姿態參數與土地測量信息同步儲存起來，以供后續數據處理，得到真實的土地測量信息[12]。

1.2數據采集

本文以本次所采用的六旋翼五相機無人機搭載傾斜攝影相機（以下簡稱相機）為例，對其數據采集過程進行介紹。該相機具備鉛錘和前后左右共計5個影像采集相機，最高飛行高度280m（自其起飛點計算），最大分辨率和最小曝光間距分別為0.02m和5s，相機總像素超18千萬像素，5個相機鏡頭均采用28mm/F2.4（等效焦距）。4個非鉛錘視角和鉛錘視角之間的夾角均可以可在15°～45°之間進行調整，相機實物圖如圖3所示。

本次數據采集過程中，相機夾角選擇40°，縱向重疊和橫向重疊度分別為80%和60%，航飛高度200m。

2無人機傾斜攝影數據處理

根據現場實際情況，首先確定測區并在測區內確定最高和最低海拔高度及測區平均海拔高度，以確定航線及起測點，數據獲取流程見圖1所示。無人機5個相機的數據分別儲存在5個文件夾下，獲取數據后首先檢查攝影區域的重疊度，對于不滿足預設需求的進行補測，以正射視角相機的時間參數校準其余4個相機所采集的數據，并將其連接在一起進行處理，對于時間參數不一致的數據進行刪除，以保證最終留下的相片與坐標點、經緯度等參數（POS參數）能夠一一對應[13]。

航測所得數據處理流程如圖4所示。

外業數據獲取后的數據處理流程，此次土地信息數據處理軟件使用當前使用較多的Smart3Dcapture。該軟件既能在靜態影響處理中使用，還可以在攝像機中獲取視頻幀，在ContextCaptuerMaster模塊內新建工程，然后通過空中三角測量計算得到基于實際土地信息的點云并在這些高密度點云的基礎上，通過時間等參數對不同文件夾下的影像數據進行關聯并計算，最終得到影像圖生成數字化地表模型、正射影像圖及全景三維模型。精度評定如表1所示。

3地籍矢量化及精度評定

模型在三維平臺上展現的正射影響效果如圖5所示。

不同視角下全景地表模型圖如圖6（a）（b）所示。

航測和計算所得的全景真實地表模型，其中圖5為模型在三維平臺上展現的正射影響效果，圖6（a）為40°俯視效果圖，圖6（b）為其局部放大效果圖。由圖可見，通過對不同視角圖像的操作，我們便可以獲得測區內地表信息的細部特點。

Smart3Dcapture軟件在基于現場航測所得信息建模時已經通過航測控制點和RTK測量所得的真實坐標進行過核對，所以計算所得的三維虛擬模型與真實地表信息誤差在我們允許范圍內，可視為虛擬模型與真實信息具備一致性。本文給出局部基于三維模型繪制的二維矢量地籍圖，如圖7所示。

圖7中所標記的紅點即為精度驗證標記點，紅色線條為地表建筑物及測區內主干道邊界線。鑒于航測所得的三維虛擬模型與真實地表信息誤差完全在地籍圖測量的誤差允許范圍以內，因此當獲得三維全景模型后，結合所得數據，我們可以很塊地確定測區內地籍圖測量所需信息。

綜上所述，因為在誤差允許范圍內，虛擬模型與真實信息可視為具備一致性，因此對地籍圖測量的準確性可以借助于對三維模型準確度評價進行表征。本文選取圖7所示的5個精度驗證標記點為例，采用RTK對其進行現場實測。精度評定結果如表2所示。

4總結

本文以浙江省德清市某試驗區域為背景，以地籍圖測量為例，通過對無人機傾斜攝影技術基本理論、數據采集及處理和地籍圖矢量化及結合RTK的精度評定的研究，對無人機傾斜攝像技術在土地測量中的應用進行了研究，得到主要結論如下：

（1）無人機攝影測繪技術因自動化程度高而帶來的高效率、短周期且能獲得三維數據，通過軟件計算便能獲得準確的土地信息，避免了傳統測量方法耗時耗力的弊端，具備極大的推廣使用價值;

（2）地籍圖精度評定結果表明，無人機攝影測繪技術所得精度完全滿足當前我國對1：1000地籍圖測量和1：500地形圖測量精度（分別為0.05m和0.1m）的要求;

（3）雖然無人機攝影測繪技術有諸多優點，但其一次性覆蓋面少、相機質量低和獲取的數據量巨大仍舊為目前航測技術推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開更多的研究來實現技術突破。

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（收稿日期：2020.03.11）