无人机倾斜摄影测量在农村房地一体测量中的应用探索

孙诗友

(中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队，四川 成都 610052)

0 前 言

社会主义新农村建设进程的不断加快，使得保障广大农民权益成为一项重要工作，而农村房地一体化调查不但是惠民政策，而且是国家掌握农民住宅的主要途径，是编制新农村发展规划的数据来源。为此，有必要确保农村房地一体化测量成果的准确性。在实际测量工作的开展中，可以对先进的无人机倾斜摄影测量技术加以合理应用。

1 无人机倾斜摄影测量关键技术

1.1 测量系统的构成

倾斜摄影测量系统由两个部分构成，分别为影像获取设备、数据处理软件。在该系统中，影像获取设备是核心，包括无人机、航向规划软件以及摄影相机等。

1.2 测量原理

当倾斜摄影测量系统中搭载的相机为5镜头相机，无人机的飞行方式为S形，此时测量系统可同时拍摄周围四个方向以及垂直方向的影像；系统搭载单镜头相机时，无人机的飞行方式为井字形，镜头垂直形下拍摄正摄影像，镜头在云台的控制下，角度会偏斜，无人机沿着规划的轨迹飞行两遍，可获取四组倾斜影像。当某个地物的影像同时出现在三张以上的照片中时，计算机通过识别，并利用相应的方法，便可获取到拍摄物体的三维坐标。倾斜摄影测量系统采用的是3D建模的方法，常用的有两种，分别为Lidar数据结合影像、完全依托倾斜影像[1]。

1.3 影像密集匹配

在倾斜摄影测量中，多视影像的密集匹配是技术核心。从多视影像的特点来看，它的分辨率较高，影像重叠度大，由此容易引起数据冗余问题。倾斜摄影相机是通过无人机搭载，因无人机本身飞行的高度偏低，加之飞行过程中受到风的阻力影响，稳定性一般，所以会导致拍摄到的影像具有明显的重叠度变化，增大了多视影像同名点的获取难度。为了能够在多视影像当中以较快的速度找到同名点，恢复被拍摄物体的三维信息，便需要进行密集匹配。

1.4 TIN三角网

数字地表模型(DSM)按子域可划分为以下两类：一类是规则方形格网(RSG)，另一类是不规则三角网(TIN)。前者虽然结构较为简单，并且构建过程比较容易，但由于不具备拓扑功能，从而导致数据量大，会出现冗余问题，特别是在平坦区域，这种情况的发生几率较高；后者有拓扑结构，数据量小，表达细致，在一些地势不平坦的区域优势明显[2]。多视影像匹配时，不可避免会产生出诸多点和线元素，其中的点元素可用TIN构建网络，而线元素可作为约束条件，参与到TIN的构建中。在对TIN构建时，可基于Smart3D软件，具体方法如下：利用对角线交换法，将通过密集匹配得到的线元素作为约束条件，借助局部最优，对TIN中每条的线段进行调整，以此来形成具备约束的TIN网。

1.5 纹理映射

从本质的角度上讲，纹理映射是将倾斜摄影系统拍摄的物体影像经处理后，所生成的具有纹理特征的图像，依托数学关系，建立与空间点对应的关系，将具备纹理特征的图像贴附在3D模型上，便可形成视觉效果逼真的模型[3]。按照映射方向的不同，可将纹理映射分为正向和反向两种情况。

正向映射是以映射函数为依托，对2D纹理坐标进行转换，使其变为3D纹理坐标，并贴到模型表面，函数表达式如下：

F:(u,v)→(x,y)=(k(u,v),1(u,v))

(1)

式中，F为正向映射函数；(x,y)为屏幕坐标；(u,v)为纹理坐标。

反向映射的方向是从屏幕到纹理空间，它是纹理映射中应用较为广泛的方法，数学关系式如下：

F-1(x,y)→(u,v)=(h(x,y),g(x,y))

(2)

反射映射需要对每个像素依次求解，由此避免多图像不连续的情况，基本上不会产生出数据冗余问题。Smart3D软件能够自动实现纹理映射，具体过程如下：通过空三解算，生成点云数据，根据设定好的优先级构建TIN网，随后生成无纹理的3D模型，按纹理映射的数学关系，结合影像位置信息，快速完成纹理贴图，进而形成带有纹理的3D模型，如图1所示。

图1 自动贴膜后形成带有纹理的3D模型示意图

2 农村房地一体测量无人机倾斜摄影测量的应用

对于农村房地而言，一体测量的主要内容有以下几个方面：宅基地界址点、房屋角点、地籍调查底图的绘制等。实际测量中，可对倾斜摄影测量系统加以合理运用，具体的测量思路是在待测区域内布设像控点，通过实时差分定位(RTK)测出像控点及检查点的坐标。同时设计无人机飞行方案，据此获取待测区域的影像数据，制作出3D模型。

2.1 布设像控点

不同颜色的线条为大小不同的畸变误差，线条越长表明畸变误差越大，通过对像控点的合理布设，能够使误差传递被有效削弱，从而减少影像中的误差。

2.1.1 考虑因素

像控点的布设与影像成图质量具有密切的关联，实际布设中，除要考虑信号干扰问题外，还要对以下因素加以充分考虑：影像中像控点要清晰可见，易于识别；像控点的位置应当在距离影像边缘1.0～1.5 cm；避开阴影，以免影像不清晰；选择宽阔的地点布设，确保测量精度。

2.1.2 布设与标记方式

本次测量中，设计以下几种像控点布设方案：均匀布设、角部布设、四周均匀布设以及四周均匀加内部少量布设。为确保测量成果的精度，在倾斜摄影测量前，要对像控点标记进行布设，标记材料可以按照地面的坚硬程度选择，布点可选用“十”或是“L”，当选用“十”时，需要在中心点处喷射一个圆，直径以5.0 cm为宜，硬质地面选用油漆作为标记材料，软质地面选用腻子粉作为标记材料。通过RTK测量像控点坐标，确保测量结果的准确性。

2.1.3 像控点布设区域概况

本次所选的像控点布设区域为某地的一座村庄，测区内的地势较为平坦，村内的建筑物分布相对比较规则，砖瓦房为主，有部分混凝土房屋，均为低矮建筑，街道上的植被不是很多。按照上文中的像控点布设方案，在该区域内对像控点进行布设。为验证各种布设方案下构建的3D模型位置精度，选取7个检查点，分别为f1～f7，以RTK现场测量。f1、f2和f6全部都是围墙的拐点，f3为独立物拐点、f4和f5为大门拐点，f7为房角点。将各种方案建立的3D模型分别导入EPS软件中，通过计算后得出检查点的误差，结果表明，在测区的周边均匀布设、内部少量布设像控点的方案比较适合农村房地一体化测量，可将之作为首选方式。

2.2 无人机飞行方案

在农村房地一体测量中应用倾斜摄影测量系统时，无人机的选择及航线设计是重点环节，与测量成果密切相关。

2.2.1 选择飞行系统

在农村房地一体测量中，可以按照拍摄区域的实际情况，对无人机合理选择。农村房地测量通常都是以村为单位，从面积上看并不是很大，但位置分布较为散乱，所以大面积飞行系统并不适用，可将小型旋翼无人机与单镜头相机作为首选，其应用优势体现在以下方面：旋翼无人机重量轻、便于携带、价格低、飞行安全系数高、适用于低空摄影；单镜头灵活性更强。

2.2.2 航线规划方案

无人机航线规划过程中，要对以下参数合理设计：无人机飞行速度、航行高度、云台的倾斜角度、影像的重叠度以及地面分辨率等。这些参数之间存在一定的关系，为使所有参数更加合理，要明确它们关系。无人机的飞行高度与地面分辨率的关系为飞得越低，分辨率值越小，影像越清晰，但建筑物阴影会随之拉长，对后期影像数据的处理造成不利影响，并且还会造成无人机飞行安全性降低。结合相关经验，通过现场测试，最终决定将无人机的飞行高度设定为80 m。

无人机倾斜摄影的过程中，单镜头相机拍摄影像时，无人机始终处于飞行状态，由此会引起影像中的地物点位移，该因素除了与无人机的飞行速度有关外，还与单镜头相机的曝光时间间隔及地面分辨率等有关。为避免像点位移幅度过大导致拉花，影响拍摄质量，可将位移控制在0.3个像元内，与之相对应的地面分辨率及无人机飞行速度为0.022 m和6.6 m/s。

通常情况下，无人机航向的重叠度为60%，最低不得低于53%，若是地面起伏变化大，则重叠度应随之适当增大。航空数码技术的出现，使重叠度有所提高，基本上能够达到70%以上，旁向也能达到60%左右。但必须指出的是，随着重叠度的增加，影像的数量也会相应增多，内业数据处理量增大。在保证精度的前提下，为加快作业效率，可将影像重叠度设定为80%和70%。本次设计的航线规划方案中的关键参数如下：①无人机的航行高度80 m；②地面分辨率0.022 m；③航向重叠率90%；④旁向重叠率70%；⑤云台倾斜角45°；⑥飞行方式为井字形；⑦飞行速度6.6 m/s。

2.3 实际测量与精度分析

本次选择的测量区域为某村庄，村内的建筑较为集中，有砖瓦房和楼房，围墙以砖为主，土墙较少，图2为该村庄的俯视图。

图2 某村庄俯视图

2.3.1 无人机飞行质量

农村房地一体测量中应用无人机倾斜摄影测量时，要检查无人机的飞行质量，具体包括以下内容：影像重叠度、航线弯曲度、航高差等。经过检查得出如下结果：影像重叠度为76.69%、旁向重叠度为67.87%、航高差为7.836 m，航线弯曲度为0.645%。由上述检查结果可知，影像与限差要求相符，飞行影像清晰度较高，未出现重影现象，判定影像质量合格。

2.3.2 数据分析

为验证数据成果与农村地基测量规范的精度是否相符，在该村庄中选取17个房角点，用f1～f17表示，通过RTK测量坐标。因测量结果会受到偶然误差的影响，所以对所有检查点均采集10次数据，并以现场实测的坐标值作为真值，求取检查点的误差，检查点平均点位中误差为0.065 m，最大点位中误差为0.097 m。

可将农村房地一体测量的对象细分为以下几类：第一类为界址点，这是绘制地籍要素不可或缺的对象，必须保证精度；第二类宅基地内部的房角点，是绘制房屋坐落的重要因素；第三类地上物，如道路、水渠等。本次测量得出如下结果：在地势较为平坦的村庄，通过无人机倾斜摄影测量，可以使成果精度达到地籍测量一级界址点要求，而地势起伏的村庄，只能达到二级界址点的要求。

2.4 地形图制作

将基于现场实测结果构建的3D模型与影像数据全部导入EPS软件，分别在模型中绘制出该村庄内的房屋与围墙，以随机的方法选取地物点，包括砖房一角、混凝土房屋一角、路灯、道路转角、输电线杆等，随后采集上述地物点坐标，其中道路转角的x和y坐标超差，混凝土房屋一角的x和z坐标超差，输电线杆的z坐标超差。引起道路转角坐标超差的原因为采集数据时，采成直角和弧线；输电线杆超差的原因为影像不清晰，高程值超限；混凝土房屋一角超差是位置判别不同所致。

大体上可将坐标超差的原因总结为以下两个方面：不同测量人员在切点的判别上存在差异，采集数据时，3D模型角度调整不一致，进而造成成果超差；构建的3D模型存在质量缺陷，其中建筑物棱角点数量不足，TIN网过于粗糙，无法通过3D模型清晰表达出建筑细节。针对以上问题，可以采取以下方法加以解决：对测量中需要量取的位置进行明确，搞清不同建筑要从何处测量。3D模型具有自由旋转的特性，这样容易使不同测量人员产生不同的判别，对此，可将3D模型与DOM影像相结合，采集数据时，检查点位是否处在适宜的位置，若是不在，则可调换模型角度；借助Smart3D软件建模，编辑建筑物细节，使模型精细化，以此来满足测量需要。

3 结 语

农村房地一体测量是一项非常重要的工作，在此项工作的开展中，为确保测量成果的准确性，可合理应用无人机倾斜摄影测量技术。未来一段时期，要不断加大倾斜摄影测量技术的研究力度，通过逐步改进，使技术更加完善，从而更好地为测量服务。

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