无人机倾斜测量技术在不动产测绘中的应用＊

赵彬

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院，河南 洛阳471000)

1 引言

不动产测绘调查工作需要对一定范围内的全部房产状况进行调查，表明不动产的实际状况、位置、大小以及用途等信息。在传统的不动产测绘工作中，主要是人为上门调查的方式完成测绘任务，该方法效率低下，所获取的数据只能从二维角度分析，并且由于地形地势的复杂，容易造成不动产数据缺失等问题。近些年来无人机倾斜摄影技术应用在各项三维空间数据获取工作中，具有明显的使用效果，大程度提升作业困难，还可以将测绘数据以数据云点的形式体现出来[1]。

国内外不断地开发无人机倾斜摄影技术在不动产测绘工作中的应用，目前国外采用无人机倾斜摄影技术应用到了军事测量、农业测量等方面，国内则多应用于工程测量、建筑竣工测量、矿山测量，并获得了显著的成果。研究初始阶段，利用无人机倾斜摄影特点与MAX技术相结合，构建城市三维空间模型，加速了对三维空间地籍数据的获取进程。

本文主要研究无人机倾斜摄影技术在不动产测绘过程中应用方法，总结无人机倾斜摄影的不动产数据获取特点，借助相应的数据分析模型，从多角度快速采集目标，满足不动产测绘的工作需求[2]。

2 无人机倾斜摄影测量技术概述

无人机倾斜摄影技术是将倾斜摄影测量技术搭建在无人机上，在无人机表面装置数据感应器与多种倾斜角度的摄像设备，不同角度的摄像设备可以通过角度变化而将数据组合，具有高速数据获取、航向参数精确等特点。无人机可以在POS 系统中建立关联数据信道，在三维空间中实时记录无人机飞行状态以及感应设备的数据记录状态，通过对摄影设备的合理调控，保证信息的真实性，保证不动产测绘工作中的数据充分。无人机倾斜摄影技术还可以应用多视影像联合平差摄影技术拟合垂直方向与倾斜方向的采集数据，减少三维空间中的几何变形。以POS系统作为无人机倾斜摄影数据监测的基础平台，可以从多角度采集外部方位元素，随意安排在自由网中，对控制点的坐标需要建立平方差方程，为不动产测绘数据联合的精准度做准备。在高密度的数据获取区域，无人机在空中建立能够分割影像的视觉处理体系，将倾斜摄影中的拟合图像进行分割与纹理聚类，计算出不动产数据的密集匹配结果，使不动产数据采集具有辐射性，保证无人机倾斜摄影技术在光感平衡环境中运行[3]。

无人机倾斜摄影的优势在于能够为不动产测绘提供更丰富的数据条件，保障不动产测绘工作的数据真实性，同时还能显著提升不动产测绘工作效率。传统的不动产测绘技术主要反映不动产的二维数据，在测绘过程中不能客观反映不动产准确信息。无人机倾斜摄影技术可以远距离监测不动产位置并实时将采集数据进行反馈，帮助三维空间模型的建立。无人机倾斜摄影技术还可以从地理特征进行不动产数据的仿真处理，数据未传递前便将测绘轮廓真实模拟出来，控制不动产测绘误差范围。将无人机作为不动产测绘工作控制平台，植入采集数据的获取流程，可以减少不动产测绘工作人员的精力投入，节约测绘成本。在三维空间模型中完全可以取代人工计算手段，降低不动产测绘时间成本[4]。

常规下应用在倾斜摄影技术中的无人机五个倾斜摄影角度均具有智能化、数据化分析，以数据的快速传递作为技术支撑。倾斜摄影所应用的关键技术也建立在数据快速传递基础上，规划高质量拍摄航道，对五个摄影角度的地理参数进行分析，设计航高、摄影参数以及航线规划等技术内容，如图1所示为无人机倾斜摄影技术中的五个摄影范围。

图1中不同摄影范围的影像需要完成空间匹配，充分利用分辨率与摄影角度在数据融合时的误差，羽化图像结合边缘，并在图像边缘建立地点坐标，获取坐标周边三维信息，再利用倾斜摄影的多元、高精度特点，精细化图像匹配边缘[5]。

3 不动产测绘模型构建

3.1 模型处理流程

建立无人机倾斜摄影测量技术在不动产测绘中的模型，此模型内部可以合理处理无人机的拍摄地点与拍摄内容之间的距离关系。无人机倾斜摄影技术所获取的数据也可以在三维模型中进行地物信息表达，模型对地物信息的处理步骤为：

(1) 对影像数据预处理。影像数据能够直观表达出不动产数据的真实性，对影像数据进行处理可以丰富模型中的地理信息基础，处理后的影像数据距离地面大约300 m以内，不动产分标率为2 m，不同角度的重复影像可以重叠处理，但是需要进行影像羽化；

(2) 自动空三加密。根据无人机倾斜摄影数据获取的角度不同，对立体不动产测绘数据加密，并使用算法加密不动产在平面坐标系中的坐标与高度信息[6]；

(3) 对密集的坐标点实现匹配。不动产数据在无人机倾斜摄影下的统计具有密集性，需要经过模型程序化处理才能合理体现，在多种类数据基础上，寻找不动产特征，将特征数据融入三维模型中[7]。图2为模型数据处理流程图。

3.2 测控点数据采集与检查

无人机倾斜摄影技术实施前，需要充分做好无人机的飞行保障工作，工作内容有：规划不动产测绘区域内的航程路径、掌握数据采集时间段内的天气状态、收集原有的不动产数据信息、寻找倾斜摄影的数据控制点监测装置等。本文研究的无人机类型为六旋翼无人机，这种无人机具有集成度高、智能化水平高和操作方便等特点，如图3所示为六旋翼无人机实物图[8]：

无人机倾斜摄影的航向是不动产测绘数据采集的重点内容，无人机具有一定的智能化水平，所以在飞行航向方面只需要选择合理的地面分辨率、倾斜摄影面积标准，即可获取较为精准的不动产测绘数据。无人机飞行高度影响着采集数据的分辨率，无人机飞行过程中结合不动产综合特征，实现摄影焦距的设置，并不定时检测采集数据质量，确保数据采集分辨率可以应用在测绘地图中，表1为不同飞行高度的数据分辨率。

表1 不同飞行高度的采集数据分辨率

两参数之间的计算方法为：

式中：H代表无人机飞行高度，f 代表倾斜摄影设备的焦距，GSD代表分辨率，b代表在数据模型中的像素大小。

根据公式中的关系可知，分辨率随着摄影高度增加而减小[9]。不动产数据采集时相邻影像具有一定的重叠性，沿着无人机航向的三维空间模型表现较为明显，图像内的色调偏差较大，与实际的飞行路径形成一定规模误差，如下所示为数据采集过程中出现的重叠度计算方式：

式中：α代表航向重叠度，β代表旁向重叠度，l代表重叠距离，lx代表航向飞行距离，ly代表旁向飞行距离。

参考《低空数字航空摄影测量外业规范》内容设计一定环境下的无人机摄影面积与总航程，设计条件不超过不动产传统测绘像幅的50%。无人机倾斜摄影技术对数据的采集还可以通过数据向控点的布设实现获取，因此在进行数据采集的过程中对相控点的位置布置要具有严格的标准[10]。为了满足低空数字航空摄影测量规范的要求，需要在不动产覆盖范围内均匀立体分布，与无人机倾斜摄影航线在相同的区域内。图4为像控点示意图。

采集后的不动产数据由于受到天气与地理环境等因素的影响，不能直接用于不动产测绘工作中，无人机将数据传输到数据中心后可应用POS系统进行不动产位置质量检查与无人机飞行平台的安全性检查。上传的图像数据检查其色彩饱和度、模糊度、像素和反光点等是否符合测绘标准，还要确定无人机的数据采集位置，是否存在角度偏转等现象，按照《低空数字航空摄影规范》内容进行审核[11]。像控点精度决定不动产测绘质量，倾斜摄影生成的三维模型中也依靠高精度的像控点输出三维空间图像，对像控点精度的测控需要利用GPS-RTK实现，对像控点的布置体系和数据内容均能识别，将相同时间段的像控点数据进行对比，计算数据最大误差与最小误差，设定不动产测绘工作中的精度要求[12]。空三精度的评定也是无人机倾斜摄影数据采集后的重要操作内容，需要对空三数据进行联合平差处理，得到与实际不动产之间的坐标值，计算平均误差，如下所示为误差计算方法：

式中：△m代表三空平均误差，△x2代表不动产三维空间水平方向误差，△y2代表不动产三维空间竖直方向误差。

最终传输至三维空间模型中的数据，主要采用Smart3D软件进行优化，处理图像数据中的光线与镜头，并在三维模型中模拟不动产测绘内容，构建完整的三维不动产体系，将模型中的不动产细节体现出来，满足实际测绘需求[13]。首先判定图像数据内容是否含有不动产测绘要素，其次在图像数据边缘记录平面坐标与界线边长，评定测绘数据的使用精度，最后选取局部图像数据进行测绘实现，在基础的不动产测绘过程中进行图像叠加，增加数字成果，尤其是针对外部遮挡面积较大的不动产，对达不到拟合程度的图像数据要重新筛选或完善。图5为遮挡面积较大的不动产测绘图像数据。

4 基于无人机倾斜摄影技术的不动产地图测绘

经过处理后的无人机倾斜摄影采集数据，可以直接应用在不动产的地图测绘工作中，但是在应用的过程中需要对不同结构的数据进行分类与进一步处理，从三维空间模型中完成初步阶段的不动产空间模拟后，方可实现不动产地图的完整测绘。首先利用Smart3D软件建立不动产数据的呈现模型，检验图像数据是否完整，在不动产数据坐标已知的情况下进行像控点的控制，确保像控点在测绘阶段中的误差小于一个像元。然后将三维模型软件中的数据保存在测绘工作人员操作平台中，并录入不动产地籍权属相关数据。最后利用个别不完善的数据填补地形要素，结合PTK技术进行补充采集[14]。

根据《地籍调查规程》中内容，不动产测绘比例尺一般为1：500，测绘采用的数据精度为3级，允许测绘产生的最大误差在10 cm左右。同时还要求不同测绘点与测绘点之间距离相同，从二维空间能够分析出测绘点的分量残差与中误差[15]。

5 实例研究

本文研究无人机倾斜摄影技术在不动产测绘中的实际应用过程中，主要从无人机倾斜摄影数据采集、数据处理和不动产地图测绘三方面入手。使用大疆M600PRO型号六旋翼无人机作为倾斜摄影载体，像素为1 240 万，摄像设备内部采用GPS/GLONASS 双模式运行，表2为倾斜摄影设备参数。

表2 倾斜摄影设备参数

进行不动产数据采集的地区是某市的10 个村落，共占地面积为12 km2，宗地共有1500多宗。由于村中很多不动产无人居住，导致传统方法下的不动产数据采集方式不能全方面实现，因此采用无人机倾斜摄影技术代替传统方法完成不动产测绘工作。在光线均匀、天气稳定的环境下进行无人机倾斜摄影作业，在数据获取的同时保证数据能够进入三维空间模型中，且保证不动产数据的有效性。构建的三维空间模型可以对不同质量图像数据完善质量，且选取相同时间段内的图像数据进行对比，筛选光线条件与摄影面积最佳的数据，图6为倾斜摄影同一时间段的五个摄影设备采集的图像。

5组图像在三维空间模型中的精准值如表3所示。根据表3中的图像数据对比结果可知，数据最大误差为0．52m，最小误差为-0．01m，对产生误差的不动产进行实地丈量，排除无人机倾斜摄影测量数据残差大于0．5m 的图像，保证不动产测绘数据分辨率始终处于0．5m以内。实例应用过程中还在相同的区域进行传统手段的不动产测绘工作，对比两种方法的数据采集时间与测绘时间，在无人机倾斜摄影技术下的模型中体现出数据获取基站共有5 个，完成10 个村落的全部不动产地图测绘所用时间为12个小时。传统方法下完成10个村落的不动产地图测绘所用时间为10天。从整体的时间效率来看，无人机倾斜摄影技术比传统方法高出二十倍。再选取100 宗精度规范的土地进行测绘精度的对比，随机抽取150个界址点与60个界址线，观察不动产边的测绘数据误差是否超过0．5 m，还在不动产房屋的周边装置放射棱镜，规范测绘数据的差值。在最后的三维模型构建中，体现出的绘制地图不能发现未知错误与几何空间的形变。由此可知，无人机倾斜摄影测量技术下的不动产测绘达到0．5 m以内的误差精准度，增加了非接触测量精准度，从而减少了人力资源与技术难度。

表3 图像数据精度对比

6 结束语

本文以无人机倾斜摄影技术在不动产测绘工作中的应用作为研究对象，系统性地研究了无人机倾斜摄影在不动产测绘中应用的技术特点与技术成果，形成一套较为完整的不动产数据采集处理体系，验证了无人机倾斜摄影技术能够提升传统方法下的不动产测绘工作水平。无人机倾斜摄影在数据采集方面有着更高的精准度，可以达到宗地面积、界址点、界址线的测绘精度误差在0．5 m以内；在数据处理方面，无人机倾斜摄影技术采集的数据直接进入三维空间模型中，将三维点云中的数据模型反复利用与对比，为三维模型的建立提供稳定环境；在测绘效率方面，无人机倾斜摄影实现了非接触测绘，作业时间与作业成本均大为降低。

虽然无人机倾斜摄影技术应用在不动产测绘工作中可以大幅度提升工作效率，但是无人机倾斜摄影的数据采集只能满足1：500比例尺的不动产地图测绘，这种情况限制了不动产的精细化制图，且无人机倾斜摄影技术受到环境因素的限制，对于应用环境要求较为严格。无人机倾斜摄影中的摄像设备之间的角度关系较为复杂，无法实现影像重叠等高难度的三维模型塑造。