傾斜攝影測量技術在房地一體中的應用

郝祥俠，王新鵬

(1.安徽省地質(zhì)測繪技術院，安徽 合肥 230022；2.貴州大學礦業(yè)學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

農(nóng)村房地一體確權登記工作是黨中央的一項重大惠民工程，對于農(nóng)民來說最直觀的好處可以總結為3個層面：一是明晰產(chǎn)權；二是化解產(chǎn)權糾紛；三是房權信息更加完整準確。傳統(tǒng)方法使用全站儀、GNSS RTK等進行測量，其效率低下[1]，需要耗費大量的人力、財力、物力，大大增加項目的投入[2]。為了解決上述問題，本文提出使用無人機傾斜攝影測量技術開展此項工作。結合生產(chǎn)實際闡述了該技術在農(nóng)村房地一體中的作業(yè)流程并對測繪成果的絕對精度和相對精度進行檢測。結果表明，此技術可獲得精度符合要求的測繪產(chǎn)品。

2 傳統(tǒng)測量方法

在低空無人機測量技術還未普及之前，農(nóng)村房地一體工作中采用GNSS RTK和全站儀結合來完成地形圖測繪工作[3]。其測量流程分為控制測量、碎步點測量。高等級控制測量采用靜態(tài)GPS測量，圖根控制點采用RTK來施測，RTK與全站儀結合完成碎步點采集。但遇密集村莊時，就會遇見架站次數(shù)多、外業(yè)作業(yè)效率低、精度難以控制的情況。

3 傾斜攝影技術

傾斜攝影是相對垂直攝影來說的，傾斜攝影是指在飛行平臺上，同時搭載多臺航攝儀，從不同角度獲取影像數(shù)據(jù)。通常所說的5鏡頭航攝相機，也是傾斜相機的一種，其由1個下視相機和4個側(cè)視相機組成[4]，下視相機主要獲取被攝物體的頂部信息，側(cè)視相機主要從不同角度，獲取被攝物體的側(cè)面信息。通常側(cè)視相機與下視相機之間的夾角介于30°到60°之間[5]，為了獲取的影像有用信息更多，減少遮擋帶來的盲區(qū)，夾角為45°效果最好[6]。利用此技術進行三維模型的生產(chǎn)，然后基于模型進行測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)，這種方式稱為傾斜攝影測量[7]。

傾斜攝影技術在房地一體中具有以下優(yōu)勢：①縮短外業(yè)作業(yè)時間，少量架次完成村莊的數(shù)據(jù)采集工作，將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)進行，減小技術人員勞動強度；②測繪產(chǎn)品更加豐富，可生成DOM、DSM、DEM、DLG及三維模型成果。但該技術也有不足之處：①電池續(xù)航能力不足，只適合小面積地形圖生產(chǎn)；②成果的質(zhì)量受地表植被和覆蓋物影響，例如村莊內(nèi)樹木對房屋遮擋比較大，模型采集比較困難，影響測量精度，還需要利用其他方法進行補測。

4 無人機傾斜攝影測量流程

無人機傾斜攝影測量技術需要依托計算機視覺原理進行影像三維重建，該技術能在不給出相機相關信息的條件下，智能恢復曝光瞬間，相機內(nèi)方位元素、相機位置、三維點云數(shù)據(jù)信息，實際使用要求根據(jù)實際場景的真實坐標轉(zhuǎn)化為立體信息[8]。所以在確定航攝范圍后，最先要在測繪區(qū)域內(nèi)設置像控點、GNSS RTK進行施測，依據(jù)事先設定好的飛行路線，利用無人機搭載的傾斜式攝影系統(tǒng)獲得地表多角度數(shù)據(jù)(1個下視方向和4個側(cè)視方向)，在航飛任務完成后對其數(shù)據(jù)進行處理，并檢查飛機的飛行質(zhì)量和獲取影像的質(zhì)量，以保證數(shù)據(jù)符合要求。通過獲得的數(shù)據(jù)構建三維模型，最終依托EPS平臺成圖。

4.1 像控點的布設

因農(nóng)村房地一體項目對界址點的精度要求高，為確保成果的質(zhì)量，像控點應均勻布設在硬化、無遮擋地刷油漆做記號，常用標記為“L”形[9]。并將點號標注在像控點附近，點間距保證在100m以內(nèi)。實地選點時，應考慮側(cè)視相機方向是否會被遮擋。對高程急劇變化的斜坡、圓山頂、跟地面有明顯高差的房角等以及航攝后有可能變化的地方，均不應當做選擇目標。

4.2 航線的規(guī)劃

對于農(nóng)村房地一體項目：在低密度房屋測量區(qū)域采用掃描航線進行數(shù)據(jù)采集；在高密度房屋測量區(qū)域采用“井”字航線進行數(shù)據(jù)采集，航線與測區(qū)內(nèi)大部分房屋朝向均呈30°～45°，保證房屋四面掃描完整。

4.2.1相對航高

H/f=GSD/α

(1)

式中，H—相對航高；f—相機焦距；GSD—地面分辨率；α—像元大小。

根據(jù)(1)式可以看出：在相機確定的情況下，要想獲得高精度的產(chǎn)品，相對航高H是至關重要的。經(jīng)在多個項目實施中得出：在農(nóng)村房地一體項目中，獲得滿足精度要求的產(chǎn)品，相對航高控制在100m以內(nèi)。

4.2.2重疊度

根據(jù)相關數(shù)據(jù)資料得知，航向重疊度不得小于53%，常規(guī)設置區(qū)間是在60%～80%之間，旁向重疊度不得低于8%，常規(guī)設置區(qū)間在15%～60%之間[10]。但由于農(nóng)村房地一體項目的特殊性，該工藝要求同時兼顧地物遮擋和形變關系，所以重疊度都需要適當設置高一些，將二者均設置在80%以上。

4.3 數(shù)據(jù)預處理

將相機5組鏡頭相對應的5組影像和pos數(shù)據(jù)導出，核查照片數(shù)量與POS數(shù)據(jù)是否一致，是否出現(xiàn)漏拍現(xiàn)象；檢查照片質(zhì)量，是否有模糊不清等情況。檢查完成后如存在質(zhì)量問題需重新補飛，若無質(zhì)量問題，采用軟件對影像數(shù)據(jù)、pos數(shù)據(jù)、相機參數(shù)文件等數(shù)據(jù)進行預處理，生成Context Capture工程索引文件(.block文件)。

4.4 構建三維模型

本次利用CC軟件作為數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件涵蓋Master、Engine、Viewer等模塊。利用該軟件對數(shù)據(jù)進行空中三角測量，通過點云加密算法將稀疏點云生成密集點云，再將密集點云進行網(wǎng)格化和紋理映射，利用像控點數(shù)據(jù)，得到相應坐標系統(tǒng)下的三維模型。其具體工作流程如下：

4.4.1新建工程

打開CC軟件，新建一個工程(工程項目路徑應為英文)，在新建工程內(nèi)建立一個塊(BLOCK)，將已預處理過的*.block文件數(shù)據(jù)加載到工程中，待完成后，可以通過3D View查看到空間效果[11]。由于無人機pos信息通常僅使用WGS-84坐標，沒有姿態(tài)角信息，所以顯示為黃色，可以通過預覽空間效果圖對飛行質(zhì)量進行初步評估。

4.4.2空中三角測量計算

為了還原像片之間相對位置關系，在沒有導入像控點成果前進行一次空中三角測量計算，自動匹配同名點，經(jīng)過第一次的空中三角測量解算后，可以預測像控點的位置，提高像控點刺點效率。第一次空中三角測量完成后，將像控點成果導入CC軟件，在3D View下查看像控點對應的空間分布，確定空間點位分布無誤后，保存像控點信息。依據(jù)外業(yè)點之記和照片，將像控點刺在比較精準的位置上。為了提高刺點效率，可以先刺像控點對應的下視方向像片，軟件可自動計算預測剩余的像控點位置。在完成刺點工作后，再一次提交空中三角測量解算，此時系統(tǒng)利用像控點對區(qū)域網(wǎng)模型進行約束平差，將區(qū)域網(wǎng)模型納入到大地坐標系統(tǒng)中，完成絕對定向。空中三角測量完成后，同時會生成空中三角測量成果質(zhì)量報告，查看質(zhì)量報告是否符合基本精度要求。如果精度不符合要求的話，可以調(diào)整像控點刺點位置和計算參數(shù)的設置，直到空中三角測量成果符合要求為止。

4.4.3三維模型生產(chǎn)

在空中三角測量精度達到所滿足的精度要求和查看空中三角測量關系模型無明顯錯誤后，可進行三維模型的構建。選擇CC軟件中新建重建項目Reconstruction，設置參考坐標系。CC軟件實景建模系統(tǒng)的三維重建過程是利用瓦片技術，根據(jù)數(shù)據(jù)的大小進行瓦片的分瓦，分瓦的類型一般選擇規(guī)則平面方格，分瓦大小的選擇要保證最大瓦片的大小不大于建模節(jié)點的最大運行內(nèi)存的2/3，最后提交工程，選擇所需要數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型(Open Scene Gragh Binary)，生成三維模型和真正射影像。

4.5 內(nèi)業(yè)矢量化

利用EPS地理信息平臺的二三維聯(lián)動一體化模式進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集。CC軟件生成的三維模型成果(Open Scene Gragh Binary)導入到EPS軟件中需要建立一個索引文件(三維測圖子菜單下的OSGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)，將CC生成的data文件即瓦片數(shù)據(jù)與***.xml文件導入生成DSM文件。轉(zhuǎn)換后，在三維測圖子菜單中選擇加載本地傾斜模型，選擇生成的DSM文件，同時可以采用分屏方式加載正射影像，使其同步如圖1所示，可實現(xiàn)二維或三維狀態(tài)下的地物、地貌要素的采集。模型加載完成后，在三維界面進行矢量數(shù)據(jù)采集，提取地物、地貌要素輪廓，獲取矢量數(shù)據(jù)。對于房屋的采集在模型中利用交會法獲取房屋的輪廓形狀，再進行構面，對其賦予屬性信息。對于三維模型中盲區(qū)、地物、地貌變形、判讀不確定的區(qū)域，內(nèi)業(yè)采集時可進行標記，制作成工作底圖交由外業(yè)技術人員進行實地調(diào)繪與補測。最后對地形圖進行修改與整飾，完成矢量化工作。

圖1 二三維聯(lián)動一體化

5 成果精度分析

采用高精度檢測的方法對農(nóng)村房地一體項目測繪成果的絕對精度和相對精度進行檢測，25個點位絕對精度見表1，30條邊的相對精度見表2。

表1 平面絕對精度統(tǒng)計表

表2 平面相對精度統(tǒng)計表

通過表1可知：25個檢測點中，點位較差最大為6.4cm，最小為3.1cm，點位中誤差為4.7cm，滿足精度要求，成果可用。

通過表2可知：30條檢測邊中，較差最大為7.8cm，最小為2.9cm，中誤差為5.2cm，滿足精度要求，成果可用。

6 結語

本文提出采用無人機傾斜攝影測量技術實施農(nóng)村房地一體項目，闡述了該技術的作業(yè)流程，利用該技術獲取傾斜影像并構建三維模型，采用EPS二三維一體化測圖技術測繪地形圖且能滿足相關技術規(guī)范的精度要求。和傳統(tǒng)測量方法對比，該方法能夠大大減少人力、財力、物力的浪費，削減了技術人員作業(yè)強度，提高生產(chǎn)效率，還可以展現(xiàn)DOM、DSM、DEM、DLG及三維模型等產(chǎn)品。因此該方法值得推廣應用。