基于无人机倾斜航测技术的农村地籍测量研究＊

史佳豪

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

1 引言

农村地籍调查是一项指导乡村建设、保障农民权益的重要举措，农村地籍测量是获取地理信息数据的重要手段[1]。现阶段农村地区所使用的地籍测量技术普遍为RTK和全站仪技术，虽然测量结果较为精确，但也存在成本高、周期长等方面的问题。为了兼顾农村地籍测量在精度和效率两方面的要求，已经有单位将无人机技术与三维建模技术结合起来，通过倾斜航测技术在获取农村地理信息数据，该技术不仅能够维持较高的精度水平，同时也能够应对农村地区复杂的地理环境，现已在农村土地资源管理与规划工作中发挥重要作用[2-4]。

2 国内外研究现状

在地形图测绘方面，Subedi Sudip等人通过无人机倾斜摄影测量技术对河流河流地区实施测绘，利用多视影像建立三维模型，进而绘制出全数字化的河流景观的地形图[5]；Honert Eric C．等人在近垂直路堑边坡极端地形监测中引用倾斜摄影测量技术，采用倾斜影像和垂直影像相结合的方式建立横断面，进而以几何形状的方式对道路边坡复杂横断面加以表达，直观明了地展示了该地区的规划状况[6]；在三维建模方面，高彩莲将近景摄影测量和倾斜摄影测量技术结合起来，针对复杂地形山体城市建立了单体化、精细化的三维模型，解决了单纯近景摄影测量技术下三维模型粗糙化的问题[7-8]。可见，无人机倾斜摄影测量技术在现阶段的地理测量工作中有着较为理想的应用效果。

3 倾斜航测技术原理与测量方法

3.1 总体测量流程

本次研究利用无人机倾斜航测技术和Smart 3D软件对陕西省渭南市的某个村落进行地籍测量，总体测量流程如图1所示。

图1 总体测量流程图

3.2 倾斜摄影测量的原理

倾斜航测也叫做倾斜摄影，是一种应用于无人机设备的空白摄影方式。对于携带有5颗摄像头的无人机，可以采用S 型飞行方式，同时获取垂直方向及东、南、西、北四个方面的形态图像数据；对于携带1 颗摄像头的无人机，则需要采用井字型的飞行方式，首先于被测目标正上访拍摄一组正摄影像，接下来根据事先规划好的井字型飞行路线以一定角度获取四组倾斜影像，同时利用惯性导航系统和GSP模块记录影像曝光瞬间无人机姿态参数和位置信息[9-12]。在后期处理方面，可以通过计算机及相关软件对影像资料进行密集匹配并识别同名像点，运用空中三角测量的方法目标物体的三维坐标加以解析，最终通过多视角纹理贴图和三角网络模型输出三维模型产品。

3.3 影像数据处理方法

本次研究通过Smart 3D 软件建立测量对象的TIN 三角网模型，本次研究处理倾斜航测数据所采用的测量软件为Smart 3D，该产品由法国Acute3D公司开发，是一款基于数字图像的三维建模平台，能够输出多种主流数据产品，比如TIN三角网模型、点云数据以及三维模型等[13]。该软件中的Engine模块可根据倾斜摄影所获取的图像数据实现空中三角解算并支持三维重建，用户通过Viewer 模块还可以实施预览三维模型重建效果。

(1) 建立TIN三角网

在建模过程中，所有的点云数据都要参与TIN三角网构建，进而建立初始的三角网。在此基础上，采用对角线交换法，以多视影像匹配获得的线元素为约束条件，通过局部最优过程LOP 对三角网中的各条线段进行调整，最终建立起附有约束条件的TIN三角网。该环节具体流程如下：①于三角网中加入一条约束线段；②若三角形边长与约束线之间有交点且与其他三角形有公共边，则将这些公共边删除，使得约束线段与这些三角形形成一个多边形；③将这个多边形的各个顶点与约束线段的端点连接起来；④通过LOP 交换的方式对三角网加以调整，使加入的约束线段成为三角形中的一个边；⑤重复上述过程，直到全部约束线均形成三角中的一条边[14]，构网过程如图2所示，TIN三角网具体形成如图3所示。

图2 TIN三角网构网过程

图3 TIN三角网

(2) 纹理映射

Smart 3D 软件具有自动纹理映射功能，该软件在基于图像数据自动输出点云数据后，会根据预先设置的优先等级建立不规则三角网，进而输出白模三维模型[15]，具体形式如图4 所示。在此基础上基于纹理映射的影像位置数据进行纹理贴图并输出带有纹理的三维模型，具体形式如图5所示。

图4 白模三维模型

图5 带有纹理的三维模型

4 外业像控点布设方案

应用于无人机倾斜航测的外业像控点布设工作应当遵循以下几点原则：(1)为了妥善处理对影像匹配结果精度与投影差之间的矛盾关系，像控点布设位置与影像边界之间的距离应当维持在1～1．5cm 之间；(2)避开有阴影的区域：(3)像控点布设位置应当尽量宽敞，避开大片水域、信号塔、电视塔等信号干扰严重的位置。

农村地区房屋高低较低，鸟瞰视野较好，为了提高地籍测量工作效率，可以采用测区周边均匀分布的外业像控点布设方案，在测区的角部以点组的形式布设像控点，同时于内部设置少量像控点，具体形式如图6所示。

图6 外业像控点布设方案

5 外业飞行方案设计

5.1 飞行平台选择

本次研究采用大疆Mini 2小型旋翼无人机实施外业拍摄，该设备重量仅有1．1kg，最大信号支持距离5～7km，续航时间约50分钟，支持4k拍摄，具有便携性、长续航、高清摄像等方面的优势，售价约3000元，十分适用于乡村地区野外测量作业。

5.2 航线规划

由于乡村地区视野开阔，像点位移、航带弯曲度、云台倾斜角度等问题较为容易解决，需要重点考虑的是航高与地面分辨率之间的关系。

本次研究对无人机航高与地面分辨率之间的关系做如下定义：

公式(1)将无人机飞行高度记为H，单位(m)；将相机镜头的焦距记为f，单位(mm)；将相机像元的边长记为a，单位(mm)；将影像地面分辨率记为GSD，单位(m)。大疆Mini 2小型旋翼无人机摄像头FC6310的像元的大小为0．00241mm，镜头焦距为8．8mm，地面分辨率与无人机航高之间的关系如表1所示。

表1 不同航高所对应的地面分辨率

根据表1可知，无人机飞行高度越低，影像清晰度越高，地面分辨率的值越小，但建筑物阴影也会被拉长，影响后期数据处理，同时结合飞行安全方面的考虑，本次研究将无人机外业飞行高度设定为80m。

6 测量实验与精度分析

6.1 测量区域概况

本次研究所选定的实验区域位于陕西省渭南市何刘乡坡王村，该地区面积约为0．08km2，属于丘陵地区，村落房屋以土房和砖房为主。于该区域设置17 个外业像控点，测量区域及像控点布局方案如图7所示。

图7 测量区域及像控点布局结果

通过本文所阐述的测量方法获取各像控点的平面坐标进行测量，为分析无人机倾斜航测结果的准确性，本次研究通过应用更为成熟的RTK技术分别对同样的像控点进行测量，进而对比两种测量方法下像控点坐标的差异。RTK 技术即载波相位差分技术，是一种常用的卫星定位测量方法，测量成本高、周期长，但精度能够达到厘米级。

6.2 数据分析方法

为了尽量缩小操作误差对实验结果造成的影响，分别对每个测试点进行10次数据采集，以RTK技术下所采集到的坐标值为真值，结合10 组无人机倾斜航测技术所采集到的坐标值计算出各像控点的点位中误差，计算方法如下。

公式(2)将RTK 技术所测得的各像控点坐标记为(X，Y)，将无人机倾斜航测技术第i次所测得的各像控点坐标记为(xi，yi)，将各项控点中误差记为m，将测量次数记为n，精度对比结果。

6.3 测量精度验证结果

无人机倾斜摄影精度统计结果如表2所示。

表2 各项控点平面点位中误差

7 结束语

经对比分析发现，基于无人机倾斜航测技术像控点坐标测量结果与RTK 测量结果之间的占位中误差主要集中在0．023与0．044之间，在测量精度方面具有较为充分的保障，在测量成本和测量周期等方面则明显优于RTK 测量技术，该技术在农村地籍测量工作中具有较高的可行性。