曹玉琴

摘要：為了探究無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)在土地測(cè)量中的應(yīng)用，首先對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)基本理論進(jìn)行了分析;然后以我國(guó)浙江省德清市某試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸尘埃缘丶畧D測(cè)量為例，對(duì)數(shù)據(jù)采集及處理和地籍圖矢量化進(jìn)行了介紹;最后結(jié)合RTK實(shí)地測(cè)量，對(duì)航測(cè)技術(shù)的精度進(jìn)行了評(píng)定。試驗(yàn)及研究表明，第一，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、測(cè)繪高效率及耗費(fèi)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn);其次，地籍圖精度評(píng)定結(jié)果表明，航測(cè)技術(shù)所得精度完全滿(mǎn)足當(dāng)前我國(guó)對(duì)1：1000地籍圖測(cè)量和1：500地形圖測(cè)量精度要求;最后，無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)一次性覆蓋面少、相機(jī)質(zhì)量低和獲取的數(shù)據(jù)量巨大目前仍舊為目前航測(cè)技術(shù)推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開(kāi)更多的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);傾斜攝像技術(shù);土地測(cè)量;精度評(píng)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

ResearchonLandSurveyBasedonUAVTiltCameraTechnology

CAOYuqin

（

ZhangyeLandPlanningandSurveyingInstitute，Zhangye734000，China

）

Abstract：ThispapertakesatestareainDeqingCityofZhejiangProvinceasthebackground，andtakescadastralsurveyasanexampletoexploretheapplicationofUAVtiltcameratechnologyinlandsurvey.Firstly，thebasictheoryofUAVtiltphotographyisanalyzed.Thenthedataacquisitionandprocessingandthevectorizationofcadastralsurveyareintroduced.Finally，combiningwithRTKfieldsurvey，theaccuracyofaerialsurveytechnologyisevaluated.Testandresearchshowthat，firstly，UAVphotogrammetrytechnologyhastheadvantagesofhighautomation，highefficiencyandshorttimeconsumption;secondly，theaccuracyevaluationresultsofcadastralmapshowthattheaccuracyobtainedbyaerialsurveytechnologyfullymeetsthecurrentrequirementsof1：1000CadastralMapSurveyand1：500TopographicMapSurveyinChina;finally，theUAVtiltcameratechnologyhasfewonetimecoverage，lowcameraqualityandhugeamountofdata.Atpresent，itisstillthebottleneckinthepromotionanduseofaerialsurveytechnology，whichneedsmoreresearchtoachievetechnicalbreakthrough.

Keywords：UAV;tiltcameratechnology;landsurvey;accuracyevaluation

0引言

隨著計(jì)算機(jī)和無(wú)人機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)也逐漸被測(cè)量研究者和從業(yè)者所重視，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)也因其耗時(shí)短、人工成本低廉、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而一直被視圖廣泛應(yīng)用于土地測(cè)量中[12]。傳統(tǒng)的土地測(cè)量是利用全站儀、RTK等測(cè)繪儀器，人工現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)并配合記錄現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物體的概況，后經(jīng)內(nèi)頁(yè)處理，形成電子版土地信息[3]。尤其在地籍圖測(cè)量中，完成一次全國(guó)性的地籍圖測(cè)量，采用傳統(tǒng)的方法需要耗費(fèi)大量的人力和物力，而且受移動(dòng)速度、透視環(huán)境、接受信號(hào)等限制，人工測(cè)繪的速度及其有限，實(shí)際的地籍圖變化情況很難得以及時(shí)更新[4]。對(duì)比之下，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)因自動(dòng)化程度高而帶來(lái)的高效率、短周期且能獲得三維數(shù)據(jù)等特點(diǎn)在土地測(cè)量中凸顯出了更具使用前景和研究的價(jià)值[56]。為此，本文以浙江省德清市某試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸尘?，以地籍圖測(cè)量為例，對(duì)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)的土地測(cè)量技術(shù)展開(kāi)研究，旨于為無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)在土地測(cè)量中加速推廣使用提供理論和技術(shù)支持。

1無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)理論

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)作業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程，主要包含檢測(cè)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、航攝前準(zhǔn)備、航測(cè)數(shù)據(jù)獲取及航測(cè)后作業(yè)等4個(gè)方面[7]。因?yàn)楝F(xiàn)在飛行器不允許隨便飛行，隨意航測(cè)前應(yīng)先對(duì)測(cè)區(qū)踏勘，出具初步航測(cè)設(shè)計(jì)方案并就航測(cè)飛行區(qū)域向相關(guān)部門(mén)提交申請(qǐng)，上述即為航測(cè)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)作業(yè)[8]。航測(cè)前準(zhǔn)備工作包括航線(xiàn)設(shè)計(jì)，航測(cè)過(guò)程中既有設(shè)施、設(shè)備及人員和機(jī)器安全保護(hù)措施，及飛行器起飛前的檢查工作。航測(cè)準(zhǔn)備工作完成后即可執(zhí)行航測(cè)過(guò)程，航測(cè)后需要對(duì)數(shù)據(jù)備份并保障測(cè)量數(shù)據(jù)安全，然后確認(rèn)相關(guān)設(shè)備設(shè)施的安全且沒(méi)有損壞。至此，一次航測(cè)作業(yè)完成，以下對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影的基本原理及數(shù)據(jù)采集進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1基本原理

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量是通過(guò)將攝像機(jī)搭載在無(wú)人機(jī)上，綜合無(wú)人機(jī)的飛行功能和攝像機(jī)的攝像功能來(lái)完成攝像的過(guò)程。為了保證精度和攝像范圍，一個(gè)無(wú)人機(jī)上往往搭載多個(gè)攝像機(jī)，搭載過(guò)程中攝像機(jī)的光軸與鉛錘方向有一定夾角，因此也稱(chēng)之為無(wú)人機(jī)傾斜攝影，對(duì)于常用的5個(gè)攝像機(jī)的設(shè)備，一般搭設(shè)下視、前視、后視、左視和右視攝像機(jī)，其中下視為鉛錘視角，其余4個(gè)視角與鉛錘視角間夾角可在15°～45°之間進(jìn)行調(diào)整[910]。無(wú)人機(jī)上搭載的一般為PostProcessingKinematic（PPK，GPS動(dòng)態(tài)后處理差分）其精度完全滿(mǎn)足土地測(cè)量的需求，而RealTimeKinematic測(cè)量系統(tǒng)，雖然精度高，但目前尚無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)高速飛行狀態(tài)下的位置記錄，為完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，本文采用RTK配合無(wú)人機(jī)校準(zhǔn)測(cè)量區(qū)域坐標(biāo)，如圖2所示。

選定試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槲覈?guó)浙江省德清市某地塊，選定區(qū)域面積為600m×400m，區(qū)域內(nèi)無(wú)高大樹(shù)木和建筑，且沒(méi)有變電站等強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域。

多視角攝像機(jī)通過(guò)時(shí)間核準(zhǔn)其采集的圖像，配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制多臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)觸發(fā)攝像功能，集中采集土地信息數(shù)據(jù)并同步[11]。同時(shí)無(wú)人機(jī)攝像設(shè)備自帶的姿態(tài)測(cè)量裝置獲取每一個(gè)攝像機(jī)的姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)與土地測(cè)量信息同步儲(chǔ)存起來(lái)，以供后續(xù)數(shù)據(jù)處理，得到真實(shí)的土地測(cè)量信息[12]。

1.2數(shù)據(jù)采集

本文以本次所采用的六旋翼五相機(jī)無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影相機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)相機(jī)）為例，對(duì)其數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行介紹。該相機(jī)具備鉛錘和前后左右共計(jì)5個(gè)影像采集相機(jī)，最高飛行高度280m（自其起飛點(diǎn)計(jì)算），最大分辨率和最小曝光間距分別為0.02m和5s，相機(jī)總像素超18千萬(wàn)像素，5個(gè)相機(jī)鏡頭均采用28mm/F2.4（等效焦距）。4個(gè)非鉛錘視角和鉛錘視角之間的夾角均可以可在15°～45°之間進(jìn)行調(diào)整，相機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。

本次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，相機(jī)夾角選擇40°，縱向重疊和橫向重疊度分別為80%和60%，航飛高度200m。

2無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)處理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，首先確定測(cè)區(qū)并在測(cè)區(qū)內(nèi)確定最高和最低海拔高度及測(cè)區(qū)平均海拔高度，以確定航線(xiàn)及起測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)獲取流程見(jiàn)圖1所示。無(wú)人機(jī)5個(gè)相機(jī)的數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存在5個(gè)文件夾下，獲取數(shù)據(jù)后首先檢查攝影區(qū)域的重疊度，對(duì)于不滿(mǎn)足預(yù)設(shè)需求的進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，以正射視角相機(jī)的時(shí)間參數(shù)校準(zhǔn)其余4個(gè)相機(jī)所采集的數(shù)據(jù)，并將其連接在一起進(jìn)行處理，對(duì)于時(shí)間參數(shù)不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，以保證最終留下的相片與坐標(biāo)點(diǎn)、經(jīng)緯度等參數(shù)（POS參數(shù)）能夠一一對(duì)應(yīng)[13]。

航測(cè)所得數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

外業(yè)數(shù)據(jù)獲取后的數(shù)據(jù)處理流程，此次土地信息數(shù)據(jù)處理軟件使用當(dāng)前使用較多的Smart3Dcapture。該軟件既能在靜態(tài)影響處理中使用，還可以在攝像機(jī)中獲取視頻幀，在ContextCaptuerMaster模塊內(nèi)新建工程，然后通過(guò)空中三角測(cè)量計(jì)算得到基于實(shí)際土地信息的點(diǎn)云并在這些高密度點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，通過(guò)時(shí)間等參數(shù)對(duì)不同文件夾下的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)并計(jì)算，最終得到影像圖生成數(shù)字化地表模型、正射影像圖及全景三維模型。精度評(píng)定如表1所示。

3地籍矢量化及精度評(píng)定

模型在三維平臺(tái)上展現(xiàn)的正射影響效果如圖5所示。

不同視角下全景地表模型圖如圖6（a）（b）所示。

航測(cè)和計(jì)算所得的全景真實(shí)地表模型，其中圖5為模型在三維平臺(tái)上展現(xiàn)的正射影響效果，圖6（a）為40°俯視效果圖，圖6（b）為其局部放大效果圖。由圖可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)不同視角圖像的操作，我們便可以獲得測(cè)區(qū)內(nèi)地表信息的細(xì)部特點(diǎn)。

Smart3Dcapture軟件在基于現(xiàn)場(chǎng)航測(cè)所得信息建模時(shí)已經(jīng)通過(guò)航測(cè)控制點(diǎn)和RTK測(cè)量所得的真實(shí)坐標(biāo)進(jìn)行過(guò)核對(duì)，所以計(jì)算所得的三維虛擬模型與真實(shí)地表信息誤差在我們?cè)试S范圍內(nèi)，可視為虛擬模型與真實(shí)信息具備一致性。本文給出局部基于三維模型繪制的二維矢量地籍圖，如圖7所示。

圖7中所標(biāo)記的紅點(diǎn)即為精度驗(yàn)證標(biāo)記點(diǎn)，紅色線(xiàn)條為地表建筑物及測(cè)區(qū)內(nèi)主干道邊界線(xiàn)。鑒于航測(cè)所得的三維虛擬模型與真實(shí)地表信息誤差完全在地籍圖測(cè)量的誤差允許范圍以?xún)?nèi)，因此當(dāng)獲得三維全景模型后，結(jié)合所得數(shù)據(jù)，我們可以很塊地確定測(cè)區(qū)內(nèi)地籍圖測(cè)量所需信息。

綜上所述，因?yàn)樵谡`差允許范圍內(nèi)，虛擬模型與真實(shí)信息可視為具備一致性，因此對(duì)地籍圖測(cè)量的準(zhǔn)確性可以借助于對(duì)三維模型準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)進(jìn)行表征。本文選取圖7所示的5個(gè)精度驗(yàn)證標(biāo)記點(diǎn)為例，采用RTK對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。精度評(píng)定結(jié)果如表2所示。

4總結(jié)

本文以浙江省德清市某試驗(yàn)區(qū)域?yàn)楸尘?，以地籍圖測(cè)量為例，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)基本理論、數(shù)據(jù)采集及處理和地籍圖矢量化及結(jié)合RTK的精度評(píng)定的研究，對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝像技術(shù)在土地測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)因自動(dòng)化程度高而帶來(lái)的高效率、短周期且能獲得三維數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件計(jì)算便能獲得準(zhǔn)確的土地信息，避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法耗時(shí)耗力的弊端，具備極大的推廣使用價(jià)值;

（2）地籍圖精度評(píng)定結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)所得精度完全滿(mǎn)足當(dāng)前我國(guó)對(duì)1：1000地籍圖測(cè)量和1：500地形圖測(cè)量精度（分別為0.05m和0.1m）的要求;

（3）雖然無(wú)人機(jī)攝影測(cè)繪技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其一次性覆蓋面少、相機(jī)質(zhì)量低和獲取的數(shù)據(jù)量巨大仍舊為目前航測(cè)技術(shù)推廣使用中的瓶頸，有待于我們展開(kāi)更多的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

參考文獻(xiàn)

[1]

朱國(guó)強(qiáng)，劉勇，程鵬正.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的三維精細(xì)模型制作[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（9）：151152.

[2]王明，李麗慧，廖小輝，等.基于無(wú)人機(jī)航攝的高陡/直立邊坡快速地形測(cè)量及三維數(shù)值建模方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（5）：9991008.

[3]資新運(yùn)，耿帥，趙姝帆，等.數(shù)字工業(yè)攝像技術(shù)用于轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量原理的研究[J].中國(guó)激光，2015（2）：230236.

[4]馮威.高寒高海拔復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)無(wú)人機(jī)勘察技術(shù)應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2019（8）：913.

[5]劉永吉，任偉，孫喜彬.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的曲面建筑立面圖測(cè)繪方法[J].建筑技術(shù)，2019（5）：605607.

[6]畢凱，黃少林.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在農(nóng)村土地調(diào)查工作底圖制作中的應(yīng)用[J].國(guó)土資源遙感，2016，28（2）：149153.

[7]胡同喜，牛雪峰，譚洋，等.基于SURF算法的無(wú)人機(jī)遙感影像拼接技術(shù)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015（1）：5558.

[8]BMMiller，KVStepanyan，AKPopov，etal.UAVnavigationbasedonvideosequencescapturedbytheonboardvideocamera[J].Automation&RemoteControl，2017，78（12）：22112221.

[9]張寧，楊潤(rùn)書(shū)，甘淑.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)針對(duì)山區(qū)高速公路帶狀測(cè)區(qū)的應(yīng)用研究[J].公路，2018（7）：245249.

[10]HironoriTotoki，YoshimasaOchi，MasayukiSato，etal.DesignandTestingofaLowOrderFlightControlSystemforQuadTiltWingUAV[J].JournalofGuidanceControl&Dynamics，2016，39（10）：18.

[11]趙燕伶，洪增林，付壘.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在土地違法監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].礦產(chǎn)勘查，2019，10（4）：976983.

[12]于強(qiáng)強(qiáng)，茹樂(lè)，于云龍，等.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（7）：25632565.

[13]潘銀松，劉天剛，馬澤忠，等.基于MS5611的小型無(wú)人機(jī)高度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015（7）：2226.

（收稿日期：2020.03.11）