无人机倾斜摄影在不动产测量的应用

邹 馨 刘 健 陈晓勇

(1. 东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013；2. 中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室, 北京 100094)

0 引言

不动产测量是在不动产管理工作中的重要内容,通过对不动产的量测为不动产登记和城市规划提供数据[1]。目前,在不动产测量方法上多以全站仪与全球定位系统(global positioning system,GPS)-网络实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)组合测量为主,该方法作业简便安全,比较稳定,但作业速度慢,外业工作强度大,内外协同效率低下将极大地影响不动产统一登记的质量和进度。时间长、任务多、要求高的测量工作也容易造成工作人员精力不足、压力过大、效率不高、质量欠佳的情况[2]。采用无人机进行不动产测量,提高了数据获取的时效性、数据的精度,减轻外业工作负担。目前,国家对于倾斜摄影测量控制点的布设方案还没有出台相应的标准,按照常规摄影测量的外业规范布设控制点会降低工作效率且提高生产成本。

国内有学者研究倾斜摄影控制点布设密度与模型精度的关联性以及在不动产测量中的应用。唐桢、刘光鑫[3]总结得出定位定姿系统(position and orientation system, POS)数据以及控制点数据的数量和质量,可以很大程度上提高倾斜影像连接点的提取效率,提高倾斜摄影三维建模的效率和精度；Gerke M和Przybilla H J[4]基于配置RTK的无人机常规航空摄影,分析了控制点数量对空三精度的影响；成李博等[5]研究控制点布设均匀性对三维模型精度的影响,得出增加像控点的均匀性会提高模型的精度；赵艳玲等[6]研究不同控制点布设方案对成图精度发影响,研究表明控制点个数增加的同时成图精度也在增加,当控制点增加到一定数量时精度趋于稳定；周胜洁等[7]分析了不同像控点的布设方案对空三精度的影响,得出在周边与区域内部适当均匀布设控制点的“倾斜摄影区域布控法”为最优像控布设方式；赵国梁等[8]以西安市长安区任家庄村1∶500不动产测量为例,说明该技术可以满足1∶500不动产测量和地籍测量的需要。

随着免像控技术的出现[9-10],本文研究免像控以及像控点的个数是否影响基于三维模型采集的不动产数据。本文以河北省张家口市怀来县某地为试验区,在该区域内合理布设像控点。系统地介绍了在无像控点和有像控点情况下的数据采集,外业、内业数据处理得到不同情况下的三维模型,基于三维模型采集宗地面等不动产数据,并对采集数据与RTK实地测量数据进行精度对比,分析免像控点和有像控点在不动产测量中的应用精度。

1 无人机数据采集技术及处理流程

1.1 倾斜摄影测量技术基本原理

无人机倾斜摄影测量是一种新兴的摄影测量技术,具有更加丰富与多角度的纹理影像数据、更高的分辨率、更加宽广的视场角,其工作原理如图1所示。该技术采用无人机搭载多个传感器从垂直、前后及左右五个不同角度采集待测区的影像,通过对影像建模得到三维模型[11-14]。

1.2 无人机数据处理流程

无人机数据处理流程如图2所示,主要包括外业数据的采集和内业数据处理采集,外业数据采集包括无人机航测数据采集和RTK数据采集,内业数据处理为三维模型的生成和界址点、界址线、宗地面等不动产数据的采集。

图2 无人机数据处理流程

1.2.1外业数据采集

在无人机航飞之前,对所有的设备、装置进行检查,主要包括航测相机的检校,飞机性能的检测,电池的电量,确保设备安装和各项设置正确无误。收集待测区的地形地貌等自然地理信息,对测区勘探并且确定航摄区域、航线规划、像控点的布设。像片控制点应遵循基本原则,根据测区范围均匀布点、且尽量在旁向重叠线中线附近,联测成平高点,保证航摄达到航向、旁向重叠度的要求。布设像控点后对其进行测量,并且选择有利的气象条件开展航摄,保证航摄影像质量。

1.2.2内业数据处理

数据预处理主要包括几何变形的影像进行纠正、格式转换、匀色处理等。在倾斜摄影测量中,空中三角测量是串联航测外业和内业的一个至关重要的步骤,其目的是减少外业工作量,利用有重叠度的航摄像片,根据相关算法进行控制点加密,求得影像外方位元素、加密点的高程、平面位置,空三加密结果影响三维模型精度。空三成果与多视影像匹配的精度息息相关,由于倾斜摄影测量数据具有多视影像所具有的特点,需要通过影像密集匹配减少空中三角测量后的冗余数据信息,提取获得多视影像同名点。再通过纹理映射将纹理与色彩贴在表面模型上,得到具有高分辨率的三维模型。内业数据处理得到三维模型后还需要对遮挡区、信息缺失等地物进行外业补测。基于三维模型,采用MapMatrix3D进行二、三维联动采集数据。相比传统测图,该作业模式能实现全方位视图作业,对同一地物通过不同角度进行点线数据采集、坐标提取。

3 不动产测量数据采集

3.1 试验区概况

本文以河北省张家口市怀来县某个村庄为研究区域,地形为南高北低,测区面积约为112 250 m2。测区范围内主要地物信息为房屋建筑、道路,其中房屋建筑为居民住宅,房屋等不动产相对密集且房屋建筑比较整齐,部分房屋存在边缘堆放杂物的情况。该区域内无民用机场,飞行空域良好。

3.2 外业数据采集

在试验区进行无人机航线的规划,选择天气晴朗、风小、能见度高等天气状况好的情况下,避开试验区内的高压电力线和军民航空器。本次试验区航飞无人机使用大疆M 300RTK,搭载赛思PSDK102S五镜头相机进行航空影像数据采集。

大疆M 300RTK无人机飞行高度约为60 m,航向重叠度为75%,旁向重叠度是75%,最终采集航空影像5 525张。

由于测区范围内部分房屋存在无人机倾斜摄影测量数据不清晰,采用RTK进行外业补测。RTK测量的数据主要包括遮挡较严重的房屋、人无法到达的测量地点、被树木或者电线遮挡住的位置等情况。补全数据后,采用RTK采集不动产检查点的三维数据,便于与模型采集的点位数据进行精度对比。

3.3 内业数据处理

对外业数据整理,筛选出质量较差的影像并剔除,然后在ContextCapture软件中导入POS数据、照片数据,在免像控、1个像控点、4个像控点、全部像控点情况下分别进行三维模型的构建。通过空三解算,得到空三精度报告。空三完成后构建TIN格网、纹理映射等操作生成实景三维数据格式(open scene graph binary,OSGB)的实景三维模型,如图3、图4所示。从图中可以看出,模型上的地物无明显变形、建筑物平整清晰,建模效果整体较好。

图3 整体三维模型

图4 局部三维模型

将OSGB格式的三维模型与对应的坐标文件导入MapMatrix3D软件中,使用MapMatrix3D软件采集三维模型的地物信息。采集过程中,通过正视和倾斜两个视角采集数据,对于独立地物例如独栋、规则的房屋可以选择提取轮廓线、多点拟合边测房采集房屋的宗地面信息,对于弧形、非直角等不规则地物切换线串、样条等状态进行绘制,对于房屋附着物例如厨房、围墙等采用多点拟合修测地物进行绘制,对于围墙、道路等其他地物信息进行对应的绘制，如图5所示。

图5 局部不动产数据采集

4 精度评价

本次试验使用相同的倾斜摄影影像在有无像控点的情况下构建4个三维实景模型,为验证基于三维模型采集的不动产数据精度是否符合要求,利用外业实地打点检查的方法对采集的不动产数据的同名点对比,检验不同情况下采集的不动产数据的精度。根据检查点的点位误差验证无像控点和有像控点的倾斜摄影测量在不动产测量的精度情况,及大范围内不动产测量的可行性。

自然资源部发布《地籍调查规程》(TD/T1001—2012)[15]中对界址点精度要求如表1所示,其中一级界址点精度要求为中误差不大于5 cm。

表1 地籍界址点的精度 单位:cm

在测区内均匀的选取检查点,本次共选取检查点30个,分别包括5个地面固定地物点、5个围墙点、20个墙角点。并采用GPS-RTK技术实地量测出布设检查点的点位坐标,并将实测值(XRTK,YRTK,ZRTK)作为真值,同时,在实景三维模型中量测检查点并导入ArcGIS中获取模型采集对应的坐标并取平均值作为模型采集的坐标(X模型,Y模型,Z模型)。利用点位平面误差公式、点位高程误差公式、同精度中误差对无像控和有像控情况下得到的试验区三维模型进行点位精度、高程精度分析。

点位平面误差计算公式为

(1)

精度中误差为

(2)

式中,ΔSi为检查点为实测点与模型采集点的点位平面误差；ΔXi=RTK实测X—模型采集X；ΔYi=RTK实测Y-模型采集Y；M为平面中误差；n为检查点的个数。

利用GPS-RTK真值与模型采集对应值按照公式进行精度检查,得到三维精度具体值见表2。

表2 界址点点位误差表 单位:m

根据公式计算得到四种模型采集的平面误差如图6所示,免像控情况下得到的不动产数据的平面中误差为0.086 m；1个像控点情况下得到的不动产数据的平面中误差为0.048 m；4个像控点情况下得到的不动产数据的平面中误差为0.041 m；全部像控点情况下得到的不动产数据的平面中误差为0.044 m。

图6 检查点平面误差图

由图6可知,布设像控点可以提高不动产测量数据的精度。免像控情况下得到的不动产数据的平面误差最大为0.243 m、最小为0.025 m；1个像控点情况下得到的不动产数据的平面误差最大为0.098 m、最小为0.018 m；4个像控点情况下得到的不动产数据的平面误差最大为0.094 m、最小为0.015 m；全部像控点情况下得到的不动产数据平面误差最大为0.092 m、最小为0.004 m。整体上,有像控点情况下采集的平面数据接近实测数据,且检查点平面误差起伏较相似。

5 结束语

本文利用无人机倾斜摄影测量在无像控和有像控不同情况下得到的三维度模型进行不动产测量进行研究,使用Smart3DCapture得到试验区的倾斜三维摄影模型,采用MapMatrix3D软件进行不动产三维数据的采集,将采集数据与实测数据进行精度对比，得出结论:

(1)用大疆M 300RTK无人机搭载赛思相机在飞行高度约为60 m进行无人机航摄。在有像控点情况下采集的不动产数据的平面中误差为低于无像控点情况采集的界址点数据。个别检查点误差较大,但是免像控情况下的误差满足三级0.1 m的精度要求,在三级限差范围内；有像控情况下的误差满足一级0.05 m的精度要求,在一级限差范围内。

(2)是否布设控制点会影响精度,在测量范围、地形起伏小的地区布设1个像控点可以满足地籍调查一级精度。等级的选用应根据土地价值、开发利用程度和规划的长远需要而定。若对数据精度要求高则需要布设控制点,但相对耗时,可以根据精度要求及数据的紧迫程度选择是否布设控制点。

采用无人机倾斜摄影测量技术获取不动产测量数据符合规范要求,在测量范围、地形起伏小的地区布设1个像控点可以满足地籍调查精度要求,为不动产量测提供高精度、高效率的测量方式。通过倾斜摄影测量得到实景三维模型,正射影像数据等多种数据对今后权籍调查有意义,且精度满足地籍调查精度,接下来将探讨地形起伏对不动产数据精度的影响。