单镜头无人机在多测合一中的应用研究

李施伟

(南通市房产管理测绘队,江苏 南通 226001)

0 引言

近年来,我国多省有关部门出台了《关于全面推进工程建设项目“多测合一”改革的指导意见》,将工程建设项目涉及的测绘业务按立项用地规划许可、工程建设许可、施工许可、竣工验收许可4个阶段划分。并根据测绘事项时序关系和委托主体差异,将工程建设项目“多测合一”事项进一步归集整合,调整为两个综合测绘事项,即将用地预审与选址审批、供地、不动产登记(净地)等环节涉及的测绘业务整合为一个“用地阶段”综合测绘事项;将工程规划许可、施工许可、规划验线、房屋预售、规划核实、不动产登记、房产实测等环节测绘业务整合为一个“施工阶段”综合测绘事项,进而提高测绘效率,减轻建设单位负担。

随着多测合一工作方式的有效推进,各类相关测绘作业效率得到了较大提升,同时也对测绘作业方式和成果质量有了更高的要求。传统的测绘作业采用全站仪、RTK进行数据采集,作业效率低,难以满足多测合一高效作业的需求。近年来,无人机航测技术取得突破性发展,倾斜模型的建模速度、建模精度都大大提高,使得低成本快速采集高精度野外数据成为可能。但是传统的倾斜摄影测量通常使用航片或多相机系统进行测量,经济成本高且操作复杂。无人机技术的快速发展,单镜头无人机倾斜摄影测量成为一种更为灵活、高效和经济的测量方法,其结合了无人机的机动性和倾斜摄影技术的高精度测量能力,为多测合一中的应用提供了全新的解决方案[1-3]。

1 多测合一相关概述

“多测合一”是指将在行政审批中的同一个建设工程项目所涉及的测绘业务,由原多项测绘合并为一个综合性联合测绘项目。同一个工程建设项目在办理规划用地、房产、绿化、人防、道路、消防等行政审批过程中,所涉及的工程测量(包括控制测量、地形测量、规划测量、地下管线测量)、不动产测绘(包括地籍测绘、房产测绘)等多项测绘业务,由工程建设项目业主选择一家具备相应测绘资质的服务机构承担,并在行政审批中按要求分别向审批部门推送并运用测绘成果。而倾斜摄影测量技术在多测合一中具有重要作用,该技术能构建高分辨率倾斜实景模型,还能与其他传感器数据进行融合,为各应用领域的决策和规划提供可靠的数据支持[4]。

2 项目应用

2.1 项目概况

实验测区位于N市某乡镇,测区总面积约为7 km2,现拟开展高精度倾斜航摄,建立测高精细实景三维模型,进而围绕自然资源信息,开展自然资源大数据平台建设与应用。本项目依托N市区域规划建设的需求,由自然资源部经济管理科学研究所与N市测绘研究院联合承担其倾斜摄影测量模型生产及相关地形图的建设与应用任务。项目拟采用大疆经纬M600pro单镜头无人机,测区内平均分布像控点8个/km2～12个/km2,地面与房角检查点共布设60个,用于满足项目生产需求。

2.2 航线规划

一般多镜头航摄并使用无人机镜头垂直下视和前后左右共5个方向进行“Z”字型航摄飞行,是目前单镜头模拟倾斜摄影测量最常用的航线规划方式,但是这种作业手段会增加航摄起降次数和影像采集数据量,后期数据处理需要人工添加控制点环节会极大增加工作量降低效率,因而本文使用十字交叉倾斜航摄方法,模拟双镜头进行45°和70° 2个方向倾斜影像数据采集,减少影像拉伸和遮挡。相关示意图如图1所示。

本次实验无人机作业时间为上午9点—下午15点,在该时间段内,测区内天气晴朗,光线适中,偶有薄云,1级—2级微风,适合飞行。项目设计航高为130 m(遇高层时为260 m),地面分辨率(GSD)为1.5 cm,航向/旁向重叠度为80%/75%,累计飞行8个架次,航飞速度为7.8 m/s,单架次飞行时间约25 min,共获取2 300余张影像,航片影像清晰、色彩均匀,满足本次项目的使用要求[5-6]。外业影像数据采集实际航线如图2所示。

2.3 实景三维建模

实验实景三维建模应用的是大疆智图软件,首先进入软件,“新建任务”并填写任务名称,然后导入影像文件夹;重建类型选择“三维模型”,建图场景选择“普通场景”,重建清晰度选择“高”,然后进行空三重建;接着进行像控点管理,像控点坐标系选择CGCS2000,导入像控点文件,再进行刺点,在每个带有控制点的图片上进行刺点,每个控制点选择15个～20个图片进行刺点,刺完后,辅助进行空三优化;然后退出像控点管理,通过特征提取和匹配算法,将影像中的像素点与其在实际空间中的位置进行匹配,生成密集点云数据;最后将纹理信息与三维模型融合,得到测区实景三维模型,如图3所示。

3 精度评定及应用分析

实验为检验重构实景模型的数据精度,应用全站仪进行实测校验,共选取35个点位进行比对检验。重建的实景三维模型坐标与RTK和全站仪校验坐标进行对比,如表1所示。

表1 校对点精度统计表 m

结合表1计算公式,最终计算得到检测中误差5.7 cm,最大较差为6.8 cm,最小较差为1.0 cm,满足“多测合一”的精度要求。此外,为进一步检验本文提出方法的精度是否可靠,本文随机选取测区50个特征区域进行精度验证,五镜头相机和单镜头相机硬件配置完全相同,实测边长采用全站仪现场测量[7-8],对比结果见表2。

表2 边长测量结果精度对比 m

通过表2可以看出,边长精度验证上,单镜头无人机精度稍低于五镜头无人机测量结果,但是两者差距不大,虽然本项目建立的实景三维模型精度满足相关应用要求,但是单镜头无人机在外业数据采集及内业实景三维建模中,仍需要注意以下几点:

1)由于白天的电磁辐射和阳光辐射等原因,会在一定程度影响网络信号,进而造成RTK测量仪所测得的数据不准确的情况,所以为了提高测量的数据精度,可以在前一天晚上或者当天早晨进行检查点坐标测量。2)在天气良好的情况下进行采集,避免中午暴晒、光线过暗、降雨等情况下进行采集。3)内业处理上,若遇到空三分层的情况,可以考虑第一遍空三设置中位置和姿态选择平差调整,径向畸变和切向畸变选择保持;第二遍空三的时候位置和姿态选择重新计算,径向畸变和切向畸变依旧选择保持。4)要实现免像控,必须满足三个条件:一是航片具有高精度POS;二是高精度POS在空三软件里面具有很高的权重,即当成已知点参与空三;三是无人机相机畸变参数要精确标定。

本项目最终目的是以N市实景三维模型成果为基础底图,建设N市自然资源大数据平台。因此,首先基于三维模型采集的矢量范围,对三维模型边缘变形区域进行裁剪,并将三维模型逻辑单体化,为后期高精度地形数据、正射影像数据、国土空间规划数据、CAD地形图、竣工数据和地籍数据等各类自然资源信息综合管理等提供数据基础。除了以上相关应用外,还可以将地上实景三维模型与地下管线相结合,构建城市自然资源三维立体一张图,实现城市自然资源地上、地下全方位管理与服务。

4 结论

本文通过对单镜头无人机倾斜摄影测量技术的应用研究,通过对无人机的飞行轨迹、相机参数和外业环境选择的优化,以提高单镜头实景三维模型数据的质量和准确性。最后通过实际工程进行验证,单镜头无人机倾斜摄影测量技术同样可以实现更全面、准确和可靠的测量结果,研究结果为多测合一提供了有力的支持和推动。