無人機傾斜攝影技術下農村房屋不動產確權

米 川 張躍飛

(河南省地礦局測繪地理信息院, 河南 鄭州 450006)

0 引言

為保障農民的合法權益、促進農村社會秩序的和諧與穩定,國家在全國范圍內組織和加快了宅基地和集體建設用地使用權的確認、登記和發放工作。作為宅基地確權登記的基礎工作,農村宅基地調查具有房屋密集、地域分散、分布廣泛、用地單一、測量范圍小、基礎數據缺乏等特點。目前,應用全站儀和全球衛星導航系統-實時動態載波相位差分技術(global navigation satellite system-real time kinematic， GNSS-RTK)完成單點測量較多,其具有測量精度高的特點,但要耗費大量人力、物力,且成本高、周期長。因此,在滿足精度要求的前提下探索新的技術手段尤為重要,實現高效、低成本的數據采集與處理。

無人機傾斜攝影技術為新興的三維數據獲取方法,將人機交互技術和傾斜攝影技術有效地結合起來。傾斜攝影是利用同一飛行平臺上的多個傳感器,從垂直、傾斜等不同角度采集地物的完整信息。以圖片采集數據為基礎,建立三維模型[1-2]。在傳統正交圖采集的基礎上,該方法進一步生成具有三維坐標的真實地形模型,打破了傳統航測只能從垂直角度拍攝的限制。該技術能同時采集樓頂和樓頂高度數據,具有生產周期短、效率高、精度高、成本低等優點。

基于上述分析,將無人機傾斜攝影技術應用于農村住房的房地產確認中。實驗結果表明,此次研究的基于無人機傾斜攝影技術的農村房屋不動產確權方法解決了傳統方法存在的不足,提高了確權效率以及精度。

1 農村房屋不動產確權框架

本文主要利用無人駕駛飛機傾斜攝影技術進行空間三維重建。通過布置圖像控制點,規劃路徑,獲得無人機飛行的多視角圖像。再經過數據處理,得到空間的三維模型,生成真實的無線電圖像。最終,無線電圖像被裝載到開思(CASS)軟件中,用三維模型實現了數字線劃地圖數字線劃地圖(digital line graphic，DLG)的采集。框架如圖1所示。

圖1 技術實現步驟注：真正射影像(true digital orthophoto map, TDOM)；數字線劃地圖(digital line graphic，DLG)；數字地表模型(digital surface model，DSM)。

在執行任務之前,應直觀了解整個測區的環境狀況,包括測區范圍的確定,交通狀況,常年氣候條件,地形高程,建筑物高度和密度,高壓線塔等信號影響到信源的分布,根據測區實際情況制定任務計劃,根據無人機設備配置將任務劃分為若干組,選擇合適的起降點。飛行時間應盡可能控制在09:00:00—16:00:00之間,同時,圖像控制點的數目及分布取決于飛行計劃、飛行高度和現場情況,從最終的空中三要素點云角度,每10 000～20 000個像素點布置一個控制點,出于安全考慮,本次點間距為150～200 m,并且,在實際測量中,需要根據每個任務的實際地形地面條件靈活使用,以下為具體的規劃內容。

2 航線規劃

在滿足高效率的同時,還要獲得足夠的圖像數據,必須實現合理的路徑規劃。利用無人機航路規劃軟件中的地圖數據繪制航程圖[3-5],輸入航路規劃參數獲取航路數據。針對農村房屋的分散特點規劃航線,航線規劃主要采用如圖2的規劃方式。主要根據分區,按照不規則多邊形完成航線規劃,具體操作如下:

圖2 航線規劃示意圖

(1)首先通過外接矩形包裹多邊形[6-7]。設多邊形頂點為c1,c2,…,cn,取頂點坐標的最大值最小值為外接矩形的4個頂點坐標(xmin,ymin)、(xmin,ymax)、(xmax,ymax)和(xmax,ymin),再根據最大和最小坐標值,由直線公式求得最線性不規則多邊形直線方程,再由飛行高度、航程間隔等參數確定航程。其表達式為

(1)

式中,k為直線斜率;d為直線在y軸的截距。

(2)按照不規則多邊形規劃航線。

(3)提取農村房屋范圍多邊形。

(4)采用不規則多邊形航跡規劃方法,引入共線方程計算航跡延伸距離,從而確定航跡覆蓋范圍。為了保證測區邊界有足夠的影像資料,可以根據相機的傾斜角度和測區高差,用下列公式計算線寬。

(2)

式中,L表示擴展距離;F為攝像機傾斜角;H表示測量高度。

(5)根據外擴距離計算零散多邊形相關系數[6-9]其計算公式為

(3)

式中,S1、S2為多角形面積;S為合并多邊形的面積;S0為無人駕駛飛機傾斜攝影測量區域;β為離散多邊形的相關性[8-9]。

(6)航高設計。無人機的傾斜攝影飛行高度是航路設計的基礎,航空拍攝的高度需要根據任務要求選擇適當的地面分辨率,其表達式為

H=f×DGS/α

(4)

式中,H為航攝高度;f為透鏡焦距;α為像元尺寸;DGS為地面分辨率。

3 三維重建

在上述航線規劃以及航高確定的基礎上,將規劃好的航線數據上傳到無人機飛控系統中,進行航飛完成影像數據采集。無人機傾斜攝影三維重建技術的目標是從圖像信息中計算出三維目標的位置、形狀等幾何信息,生成三維點云。為了滿足測繪的需要,將三維點云置于真實坐標系中是必要的。為此,需要在測量區內設置圖像控制點,從而獲取實際坐標的圖像控制點。基于上述需求,進行三維重建,無人機傾斜攝影技術是基于計算機視覺原理進行三維重建。三維建模步驟如圖3所示。

圖3 三維建模步驟

利用尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform,SIFT)算法,在數據預處理的基礎上進行圖像特征點匹配。它主要通過連續選擇相鄰圖像中足夠連接點的相對方向,計算方向性元素和旋轉矩陣來構造自由網絡[10]。在此基礎上,將圖像的波束法和空中三測相結合,得到高精度的修正外方位元素。其表達式為

(5)

式中,C為圖像外方位元素系數矩陣;Δ為校正系數;ΔG為控制點坐標校正值;KG為與之對應的系數矩陣;ΔT為連接點坐標校正值;Kτ為與之對應的系數矩陣;L為表征觀測值與計算結果的差異值;Ld、LG分別為虛擬觀測向量;I為單位矩陣。

利用多視圖進行匹配,得到準確的外方位元素,并利用分塊多視圖匹配產生立體對。主要過程如圖4所示。

圖4 多視圖匹配過程

在三維(3D)對立面中,一對同名點得到兩個同名的射線,射線的交點是接地點的空間位置。在基于特征點的匹配和提取中,只能得到離散的稀疏空間點,而在圖像之間的密集匹配可以得到三維密集的點云數據。以圖像控制點為基礎,建立了三維點云坐標轉換模型,通過坐標轉換,得到真實的地理坐標。

在此基礎上,采用稠密的三維點云對空間進行三角剖分,對每一個加密曲面三角形完成加密三角剖分,從而得到空間模型。利用紋理映射得到真實的三維模型;采用多角度、多重疊傾斜成像,精確校正和高精度匹配,生成實拍圖像。最后,在CASS軟件中加載實拍圖像,以圖像為底圖,參照實際三維模型進行屋檐校正和繪制,生成大比例尺數字線圖,以此完成農村房屋不動產的確權。

4 實驗

本次測試以某測區為試驗區,依據上述基于無人機傾斜攝影的農村房屋不動產確權方法,對實驗區進行了分析。并為了保證實驗的嚴謹性,將傳統的測繪方法與此次研究的測繪方法進行對比,對比文獻[1]方法、文獻[2]方法以及所提方法的測繪精度與測繪效率。

實驗過程中,選擇均勻、隨機選擇試驗區域中的明顯位置進行試驗。采用全球衛星導航系統(global navigation satellite system, GNSS)接收機和全站儀采集屋內或墻內可見角,檢測點的精度,測距儀測量屋內邊長,真實三維模型檢測邊長精度,編制精度統計報告。

4.1 測量精度對比

此次研究的基于無人機傾斜攝影技術的農村房屋不動產確權測繪方法與傳統方法的測量精度對比結果如圖5所示。

圖5 測量精度對比

通過分析圖5發現,此次研究的方法在測繪過程中測繪精度較高,測繪誤差能夠穩定控制在5 cm之內,效果較好。而傳統的測量方法,誤差較大,因為傳統方法在測量中會受到外界因素的影響,并且分辨率不能很好地滿足要求,從而降低了測量精度。

4.2 測量效率對比

對比此次研究的基于無人機傾斜攝影技術的農村房屋不動產確權方法與傳統方法的測量效率,對比結果如圖6所示。

分析圖6發現,相較于傳統測繪方法,此次研究的測繪方法能夠在較短的時間內完成農村房屋不動產確權,較傳統方法測繪時間短。

綜上所述,此次研究的農村房屋不動產確權方法較傳統方法測量精度高,測繪效率高,較傳統方法應用效果好。此次研究的測繪方法應用效果好的原因是,此次研究的測繪方法主要運用了無人機傾斜攝影技術,并對其測繪路線以及高度等進行了詳細設計,從而提高了測繪效果。

5 結束語

本次研究設計了新的基于無人機傾斜攝影技術的農村房屋不動產確權方法。此次研究的無人駕駛飛機傾斜攝影技術已通過工程實踐。且實驗結果表明,該三維模型具有較好的精度和效率。但是,在自動建模完成后,由于某些建筑結構的復雜性,會產生一些變形,利用DP-Modeler可以對這些局部缺陷進行細化。但本文的研究方法只重點研究了農村房屋測繪方向,不適用于大規模的城市建設。有些復雜的建筑模型仍然需要人工介入,如何對復雜的建筑細部進行自動化建模是下一步的工作。