利用無人機傾斜攝影測量進行三維地籍測量

張晶晶 劉偉東 郝卓婭 郝冬冬 包興洶

(1. 自然資源部第一大地測量隊, 陜西 西安 710054; 2. 陜西隨創互聯科技有限公司,陜西 寶雞 721000; 3. 杭州九尚科技有限公司, 浙江 杭州 310000)

0 引言

目前,許多研究學者在提高三維模型精度方面做了很多研究[1],并將其應用于各行各業。丁波[2]分別以四角單點及組點布設、區域網周邊均勻布設、四角點組區域網周邊均勻布設、區域網均勻布設、區域網均勻布設四角點組布設等6種控制點參與空三解算,分析不同控制點布設方法對模型精度的影響。王云川等[3]通過灰度拉伸及直方圖均衡化方法進行影像勻光處理,實驗結果表明,該方法能夠使得三維模型的紋理細節更顯著,色調更均勻,完整性更強。原明超等[4]、張雪蓮[5]、馬廷超[6]、李鑫龍等[7]將無人機傾斜攝影測量技術應用于大比例尺地形圖中。鄭史芳等[8]將其應用于地質災害檢測中,結果表明,該技術可以減少人工實地勘察的工作量,提高工作效率,為地質災害隱患點預警提供有力的依據。柯生學[9]、解文武[10]、趙波等[11]將其應用于礦山測量及礦山地質數據分類系統中。

本文將無人機傾斜攝影測量技術應用于農村地籍測量中,描述了三種傾斜影像空中三角測量的方法。通過在安徽省阜陽市某村的3個三維模型上獲取的20個同名界址點的精度,驗證了無人機傾斜攝影測量技術在地籍測量中的可行性。

1 無人機傾斜攝影測量進行地籍測量的技術方法

本文將無人機傾斜攝影測量技術應用于地籍測量的方法可分為三個步驟:像控點測量與傾斜影像采集，實景三維模型構建，內業地籍數據采集。技術流程如圖1所示。

圖1 利用無人機傾斜攝影技術進行地籍測量的流程圖

1.1 像控點測量及傾斜影像采集

無人機傾斜攝影技術是在無人機上搭載多臺不同角度的航攝儀,通過全球衛星導航系統(Global Positioning System,GPS)/慣性導航系統(Inertial Navigation System,INS)獲得相機拍攝瞬間的位置與姿態。影像采集前需設定好航高、航飛路線、影像重疊度(通常,航向重疊度為80%,旁向重疊度為60%)等參數。航飛過程中,在建筑物密集區,為減少建筑物遮擋導致后續三維模型中建筑物粘連的情況[12],航向重疊度可達到90%。

像片控制點測量是根據技術要求提前在地面布設地標點,使用RTK技術得到地標點的坐標,其將參與空中三角測量解算[13]。因此,控制點的質量直接影響到三維模型及測圖的精度。高質量的像控點的測量需要注意以下2點:(1)應結合整個測區情況均勻布設在沒有遮擋物的空曠地面上,并盡量滿足6度重疊;(2)測量時,要對同一個點進行3次測量,取平均值作為測量結果。

1.2 構建實景三維模型

利用Smart3d軟件構建實景三維模型的過程可以分為5個部分[14]:傾斜影像空三加密、多視影像密集匹配、格網構建、三維白膜構建、紋理映射及修膜。其中最為關鍵的一步是空中三角測量,其結果直接影響模型的精度。

本文采用以下兩種方法提高傾斜影像空中三角測量的精度:(1)首先將不同角度的相機影像分為不同塊,分別進行空三處理;然后合并所有塊并編輯;最后再次進行空三處理。(2)先整體進行一次空三處理,將空三結果導出,用其更新影像的位置與姿態(Position and Orientation System,POS)數據,重新進行空三處理(本文稱該方法為“再空三法”)。

1.3 內業地籍數據采集

EPS三維測圖軟件可以將已有的實景三維模型成果(osgb格式)轉換為內部使用的.dsm格式并導入,在二三維聯動的狀態下進行地物采集,獲取矢量數據。如通過五點房交會法或線劃法繪制房屋,并錄入房屋的樓層數、結構等屬性信息。在內業編輯過程中,對于三維模型中地物變形、無法判讀或判讀不準確、地形復雜的區域,以及屬性信息不明確的地籍要素做好記錄,需進行外業補測及實地調繪。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗概況與結果

本文以安徽省某村莊的地籍調查項目為例,研究無人機傾斜攝影測量技術在地籍測量中的應用,并驗證成果精度,討論提高模型精度的方法。針對實驗區的面積(約140 000 m2)、地形情況及房屋結構,項目航高設為100 m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為60%,航線彎曲度不大于 3%,均勻布設35個控制點。項目利用RTK技術獲取控制點的平面與高程坐標,使用紅鵬小金牛無人機進行傾斜影像采集,共拍攝3 740張影像。

得到傾斜影像后,利用Smart3d軟件通過傾斜影像空三加密、多視影像密集匹配等步驟建立實景三維模型。為驗證本文所述提高模型精度的方法,項目進行了3次空三加密:(1)將所有原始影像作為一個整體,進行空三解算;(2)將每個相機的像片即地物的不同視角影像分別作為區塊,單獨進行空三解算,然后合并所有區塊并運用區域網平差模型進行解算;(3)利用(1)得到的空三結果,更新影像的POS數據,再次建立工程進行空三處理(再空三法)。利用三次加密得到的結果,分別進行密集匹配等過程構建模型,如圖2所示。

圖2 三維模型成果圖

利用EPS測圖軟件進行三維測圖,并經過外業核實調查,對內業采集數據進行補充完善,最終成果圖如圖3所示,圖中“李佰穩”為宗地權利人姓名;“混”表示房屋為1層混合建筑;110.8 m2表示宗地面積;J1、J2…J6表示界址點編號;14.72 m等表示兩個界址點之間的距離;072表示農村宅基地;JC00165表示宗地編號。

圖3 實驗區三維采集數據局部圖

檢測界址點精度是評定地籍圖質量的重要步驟,本文均勻選取實驗區中20個界址點作為檢測點,分別統計其內業采集點的坐標與外業測量點坐標的誤差。為驗證本文所述提高模型精度的辦法,分別將三次空三得到的模型表示為模型1、模型2及模型3,檢測點的誤差統計結果如表1所示,其中ΔSm1、ΔSm2、ΔSm3分別表示選擇的20個界址點在三個模型上的中誤差,單位為m。《地籍調查規程》(TD/T 1001—2012)中對1∶500比例尺地籍圖界址點的精度要求如表2所示。圖4為檢測點在不同模型上的誤差分布圖。

表1 基于傾斜攝影測量技術的1∶500地籍圖平面精度檢測表 單位：m

表2 界址點精度 單位：m

圖4 檢測點在不同模型上的誤差分布圖

2.2 實驗結果分析

從表1中可知,模型1中檢測點滿足《地籍調查規程》中一級界址點精度的有10個,滿足二級精度的有10個;模型2中檢測點滿足一級精度的有14個,滿足二級精度的有6個;模型3中檢測點滿足一級界址點精度的有17個,滿足二級精度的有3個。由此可知,使用三種空三處理的方法,皆可滿足1∶500比例尺地籍測圖的二級精度要求。但模型3中,滿足一級精度的檢測點數量明顯增多,表明使用再空三法能夠提升三維模型的精度,進而提高三維測圖數據的精度。

由圖4可知,模型1中檢測點中誤差最大的為0.078 m,最小的為0.023 m;模型2中檢測點中誤差最大的為0.067 m,最小的為0.026 m;模型3中檢測點中誤差最大的為0.066 m,最小的為0.023 m。表明模型1和模型2中檢測點的精度雖都滿足二級精度要求,但起伏較大,說明三維模型精度的穩定性相對較差。模型3中檢測點精度起伏較小,表明三維模型精度較平穩,進而表明使用再空三法提高了三維模型精度的穩定性。這是因為再空三法使用第一次空三處理的結果更新了影像的POS數據,等同于將影像的位姿信息進行一次優化,使得影像的位姿信息更接近于正確值,則使用優化后的數據進行空三加密處理,會在一定程度上提高處理精度。

3 結束語

本文研究了利用無人機傾斜攝影測量進行地籍測量的技術,描述了三種傾斜影像空三處理的方法。以安徽省某村為例,利用紅鵬小金牛無人機獲取實驗區3 740張傾斜影像,用Smart3d軟件構建實景三維模型,運用EPS測圖軟件采集內業數據。均勻選取20個界址點作為檢測點,評定測圖精度。結果表明,三種空三處理方法都能夠滿足《地籍調查規程》中二級界址點的精度要求。其中,再空三法滿足一級界址點精度的數量增多,表明該方法能夠在一定程度上提高傾斜影像空三處理的精度,進而提高實景三維模型的精度與穩定性。進行一次傾斜影像的空三處理需要花費較多時間,所以本文建議,在初次空三處理不理想的情況下,可以使用再空三方法,以免耽擱項目的進度,增加成本。