丁 濤， 劉 超， 鄧 燁， 鄭遠楊

(安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001)

在農(nóng)村實際地籍土地相關登記工作中,地籍測量是整體環(huán)節(jié)中的重要部分,是在權屬調查的基礎上借助相關測量技術與儀器,從整體到局部、分級布網(wǎng)、逐級控制,精準測量出地籍區(qū)域范圍內各類土地的位置、境界、宗地面積大小、權屬界址點的坐標等信息,以獲得完整的地籍數(shù)據(jù)資料,推進農(nóng)村信息現(xiàn)代化的建設,將土地資源利用率發(fā)揮到最優(yōu)。

傳統(tǒng)地籍測量,多為借助全站儀等地面架設的測繪儀器以人工外業(yè)合作測量的方式,對工程區(qū)域范圍內相關土地地物信息以及實際要素信息進行采集并結合內業(yè)進行地籍圖繪制工作。然而,在建筑物植被較為密集、通視困難、零散老舊的房屋房地基礎信息空缺的農(nóng)村或城中村地區(qū),傳統(tǒng)測繪方法在經(jīng)濟成本、工作難度、生產(chǎn)周期以及工作環(huán)境要求等方面的問題逐漸凸顯,難以滿足城鄉(xiāng)一體信息現(xiàn)代化高速建設的需求。隨著小型飛行器技術和全球衛(wèi)星導航技術的更新完善,利用無人機定位技術,借助所搭載的多傳感器鏡頭,可從多方位對同一地物地貌進行快速三維數(shù)據(jù)采集,內業(yè)構建實景三維真實模型,DOM(數(shù)字正射影像圖),并三維裸眼勾畫地籍DLG(數(shù)字線劃圖)。該方法可以全面真實且有效地還原地物地貌特征以及坐標信息,大大減少測繪外業(yè)作業(yè)人員的數(shù)量和項目生產(chǎn)周期。但早期無人機體積較大,造價高,鏡頭昂貴,飛手操作專業(yè)性強,對于農(nóng)村房屋集中、分布區(qū)域小、分布點較多的地籍測繪而言局限性有時較多。無人機的出現(xiàn)給測繪行業(yè)注入了新鮮的血液,憑借著其易操作、造價成本低、應用面廣泛的特點,在地籍測量、智慧城市、智慧校園的建設中成為高效測繪手段之一。中國大疆公司所生產(chǎn)的無人機系列將輕量級無人機的優(yōu)勢展現(xiàn)了出來,使得傾斜攝影測量技術能更好的服務于區(qū)域分散的農(nóng)村地籍測量。通過實際生產(chǎn)項目，分析大疆M300 RTK無人機傾斜攝影測量在農(nóng)村地籍測量中的應用優(yōu)勢，并生成項目所需的各類測繪產(chǎn)品，最后對成果進行精度分析，以期為農(nóng)村地籍測量提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

測量區(qū)位于安徽安慶太慈鎮(zhèn),地處安徽省西南部,毗鄰武昌湖,面積約300畝。測區(qū)多以房屋植被為主,建筑物較為密集,結構非統(tǒng)一規(guī)劃結構,多為自建房屋,高度均未超過20 m,范圍內地面高程差不大于20 m,適合無人機進行低空傾斜攝影測量作業(yè)。

1.2 傾斜攝影測量流程

傳統(tǒng)攝影測量又稱垂直航空攝影測量,主要是將專業(yè)級別的量測相機搭載于直升飛機或航空飛機上進行垂直攝影測量作業(yè),所拍攝的像片數(shù)據(jù)角度單一,無法對地物地貌進行三維展示,缺少立體坐標信息。無人機傾斜攝影測量技術可將所獲取的影像數(shù)據(jù)由單一二維平面提升至三維立體呈現(xiàn)。由于城市建筑物高度較高,面積龐大,因此針對城市大范圍的航測主要借助于固定翼無人機。而對于農(nóng)村范圍的航測,由于房屋高度低,村落之間分布較為稀疏,大面積航飛成本過高,數(shù)據(jù)冗余過大。本文采用大疆M300 RTK多旋翼無人機,具有高度靈活、作業(yè)快速、起降環(huán)境限制少、造價低、精度高等優(yōu)點,更適合農(nóng)村區(qū)域范圍快速航測作業(yè)。

在地籍測量項目中,無人機傾斜攝影測量主要生成三類數(shù)字產(chǎn)品,分別為三維數(shù)據(jù)模型、DOM、地籍DLG。正確有序的項目流程是數(shù)字產(chǎn)品真實、有效、高精度的必要前提,主要航測技術流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測量流程Fig.1 Oblique photogrammetry process

針對測區(qū)現(xiàn)場建、構筑物,植被地形等特征進行勘察,并設計出相關航測方案,在正式進行無人機傾斜攝影測量前需對無人機整體包括相機進行各項質檢,以確保數(shù)據(jù)的精準性。根據(jù)現(xiàn)場勘測情況利用奧維地圖進行航測區(qū)域的劃分,并按照邊緣結合中心布設相控點的規(guī)則初選像控點位置,現(xiàn)場根據(jù)地形地物情況布設像控點并測量坐標信息。無人機進行傾斜攝影測量獲得影像數(shù)據(jù),內業(yè)預處理,進行空中三角測量生成各類數(shù)字產(chǎn)品。精度檢驗,在數(shù)據(jù)出現(xiàn)精度或質量不合格的情況下進行返工補測或重測,在各項數(shù)據(jù)及產(chǎn)品檢驗合格后提交最終成果。

2 航測數(shù)據(jù)采集

2.1 無人機系統(tǒng)

采用大疆公司2020年5月新推出的經(jīng)緯M300 RTK無人機,如圖2所示。搭載新一代OcuSync專業(yè)圖傳系統(tǒng),相較于目前應用較為廣泛的精靈4 RTK無人機,擁有更遠的控制距離和長時間的飛行續(xù)航時間,單次拍攝可同時獲得5個不同角度所攝取的像片,能更好的反映物體的三維信息。支持同時搭載3個總重2.7 kg以內的物體,精度可達厘米級,與前幾代無人機相比航測所需像控點數(shù)量更少,進一步減輕了作業(yè)強度。無人機的主要參數(shù)如表1所示。

圖2 大疆M300 RTKFig.2 DJI M300 RTK

表1 無人機參數(shù)Table 1 UAV parameters

2.2 像控點布設及采集

此次農(nóng)村地籍測量項目像控點布設采用圖上設計結合現(xiàn)場實布的方法進行。測前谷歌衛(wèi)星影像圖上對像控點初步設計布設,再以此為依據(jù)實地判斷現(xiàn)場地形地物情況進行安排。要求像控點周圍無明顯高度房屋,樹木等地物遮擋,防止內業(yè)進行像控點刺點時無法準確識別相應位置而影響三維模型精度。像控點標志利用白色噴漆進行L形噴繪,坐標數(shù)據(jù)則利用中海達GNSS-RTK在CGCS2000坐標系下以3次測量取平均值的方法獲得。像控點的實際設計與安置直接影響到三維模型的精度,理論上像控點數(shù)量與精度呈正相關,但當達到一定數(shù)量后對三維模型精度提升無較大幫助,反而會加大工作量。采用邊緣區(qū)域進行平高點布設,中間區(qū)域進行高程控制布設的方案最優(yōu)。項目實際布設32個像控點,如圖3所示。

圖3 像控點分布Fig.3 Distribution of image control points

2.3 航測數(shù)據(jù)采集

在對無人機整體構件包括相機鏡頭進行檢驗并達到合格要求后,導入KML格式的航測范圍文件于無人機地面控制端內,作業(yè)條件選擇風力2級的晴天進行,同時根據(jù)《低空數(shù)字攝影測量規(guī)范》(CH/Z 3005-2010)要求,避免在清晨傍晚太陽高度角低于30度的時間段進行航測。航向重疊率為85%,旁向重疊率為80%。根據(jù)無人機航高與像片地面采樣率距離的公式:

(1)

其中,

H

(m)為無人機飛行時的相對航高;

f

(mm)為無人機搭載的非量測鏡頭焦距,GSD(m)為地面采樣距離即地面分辨率,

a

(mm)為像元尺寸大小。本次航飛航高為60 m,求得地面分辨率為0.01 m,滿足相關規(guī)范要求。由于大疆 M300 RTK無人機單架次續(xù)航時間可達55 min,因此根據(jù)測區(qū)面積大小范圍準備5塊電池以確保連續(xù)作業(yè)。航測過程中無人機與地面控制端距離始終保持在15 km以內,可實現(xiàn)1080P圖傳,作業(yè)過程中自動實時切換至最佳信號通道,保證了地面操作人員在航測過程對無人機工作狀態(tài)實時監(jiān)控。

3 航測數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預處理

由于無人機影像數(shù)據(jù)量龐大,無法現(xiàn)場人工肉眼識別所有像片數(shù)據(jù)采集情況,因此,利用RockyMosaic軟件快速拼圖可以做到對像片質量的初步檢查,若發(fā)現(xiàn)大面積漏飛或空洞的情況,需要現(xiàn)場及時補測。選擇合適的時間航測能很大程度地避免像片出現(xiàn)飽和度或曝光亮度不足的問題,針對少量包含像控點的核心像片出現(xiàn)該問題可利用調色軟件進行飽和度及亮度的調節(jié),實際高質量拍攝的照片如圖4所示。

圖4 無人機航攝像片F(xiàn)ig.4 Aerial camera of unmanned aerial vehicle

3.2 影像數(shù)據(jù)處理

無人機影像立體拼接的關鍵在于空中三角測量技術,借助少量野外所測平高點作為控制點,室內進行空三加密計算,求得加密點平面坐標以及高程,主要包含2種方法:解析空中三角測量和自動空中三角測量。將預處理過的數(shù)據(jù)導入Context Capture(原Smart 3D軟件,簡稱CC)軟件,進行光束法區(qū)域網(wǎng)解析空中三角測量(圖5),以單張像片作為單元,通過共線方程建立區(qū)域誤差方程,求解所有像片外方位元素6個以及地面點坐標。已知內方位元素,觀測值取物像坐標點,可列誤差方程:

圖5 光束法平差Fig.5 Beam adjustment

v

=

a

Δ

X

+

a

Δ

Y

+

a

Δ

Z

+

a

Δ

φ

+

a

Δ

ω

+

a

Δ

κ

-

a

Δ

X

-

a

Δ

Y

-

a

Δ

Z

-

l

(1)

v

=

a

Δ

X

+

a

Δ

Y

+

a

Δ

Z

+

a

Δ

φ

+

a

Δ

ω

+

a

Δ

κ

-

a

Δ

X

-

a

Δ

Y

-

a

Δ

Z

-

l

(2)

其中,

V

,

V

為模型點坐標,

a

為各系數(shù)項,Δ

X

,Δ

Y

,Δ

Z

,Δ

φ

,Δ

ω

,Δ

κ

為六個方位元素,Δ

X

,Δ

Y

,Δ

Z

為待定點坐標改正數(shù),

X

,

Y

,

Z

為模型平移量,

l

,

l

為真誤差。寫成矩陣形式為:

(3)

對于所有像點都可列出上式(3)的誤差方程,則匹配法方程為:

(4)

可求得未知數(shù)t的解向量:

(5)

在六個外方位元素全都求出后,結合所有待求點的前方交會點誤差方程:

v

=-

a

Δ

X

-

a

Δ

Y

-

a

Δ

Z

-

l

,

v

=-

a

Δ

X

-

a

Δ

Y

-

a

Δ

Z

-

l

(6)

由于航攝像片拍攝時具有嚴格重疊度設計,因此必有待測點同時跨越多幅像片,從而可以列出公式6所示的2

n

個誤差方程式,求出地面坐標近似值改正數(shù),結合所求外方位元素即可得出所有待測點的地面坐標。CC進行自動空中三角測量結果如圖6所示。

圖6 CC空中三角測量結果Fig.6 Results of CC aerial triangulation

4 數(shù)字產(chǎn)品及精度分析

4.1 三維模型及地籍圖

高自動化程度的CC圖像數(shù)據(jù)處理可對無人機影像數(shù)據(jù)中大量同名點進行影像密集匹配,借助數(shù)量眾多的特征點信息構建密集點云數(shù)據(jù),經(jīng)過降噪處理,數(shù)據(jù)優(yōu)化,獲得高精度三維點云。TIN(Triangulated Irregular Network,不規(guī)則三角網(wǎng))是在空中三角測量以及高精度影像密集匹配的基礎上,由三維點云數(shù)據(jù)合成,如圖7所示。實景三維模型的構建是由單體TIN組合成整體加上紋理映射而成。因此其質量直接影響三維模型成果。無人機傾斜攝影的航攝重疊度越高所組合成的TIN越密集,復雜地物地貌的特征點信息需要構建高密度的TIN,但過于密集的重疊度會加大航測時間影響生產(chǎn)效率,造成數(shù)據(jù)冗余,根據(jù)不同環(huán)境選擇合適的航攝重疊度即可保證建模質量也可提升效率。

圖7 數(shù)字正射影像圖Fig.7 DOM

傳統(tǒng)的三維模型主要包含虛擬坐標及紋理信息,無法真實反映實際的地物地貌,而無人機搭載的量測相機拍攝的影像通過處理,可獲得帶有真實坐標及紋理信息的三維模型。模型中所有地物地貌均包含相關屬性坐標值,符合相關測量精度要求,可真實量測,大大減輕了外業(yè)工作量。以TIN為基礎構建白模,將三維白模與匹配圖像進行紋理映射,得到接近真實地物地貌的實景三維模型,如圖8所示。

圖8 實景三維模型Fig.8 Real 3D model

在無人機傾斜攝影農(nóng)村地籍測量中,除了實景三維模型產(chǎn)品還包括有高分辨率的DOM以及DLG。在三維模型建立的基礎上,通過CC快速生成單片,結合Arcgis軟件拼圖生成DOM。低空的無人機航測能帶來厘米級的高分辨率,本次項目的正射影像圖達到了0.01 m高地面分辨率。DLG的采集借助北京山維公司的EPS繪圖軟件,相比較于傳統(tǒng)立體影像需要佩戴3D眼鏡和手腳輪盤,EPS繪圖軟件可直接在正射影像圖以及三維模型的基礎上進行裸眼視覺采集,結合外業(yè)補測和成果整理,生成DOM地籍圖及DLG分布如圖7和圖9所示。

圖9 DLG地籍圖Fig.9 DLG cadastral map

4.2 精度評定

在地籍圖的質檢流程中,符合相關精度要求的界址點采集是重要的一步。本研究選取15個界址點,外業(yè)利用GNSS-RTK進行數(shù)據(jù)采集,與內業(yè)成果進行對比誤差分析,結果如表1所示。根據(jù)中誤差公式:

(7)

其中,

M

為平面中誤差,

n

為界址點檢查數(shù)量,Δ

S

為外業(yè)測量點與界址點的平面誤差。根據(jù)《地籍調查規(guī)程》(TD/T 1001-2012)規(guī)定:在平面中誤差上,一級界址點為±0.05 m,限差±0.10 m,二級界址點為±0.10 m,限差為±0.20 m。由表2點位數(shù)據(jù)可計算15個點平面中誤差為±3.32 cm,符合一級界址點要求。如圖6所示,15個點中,存在一點平面點位誤差不符合一級界址點要求為10.10 cm,符合二級界址點要求,說明模型在精度方面存在微弱波動,但整體均符合二級界址點要求。

表2 界址點誤差統(tǒng)計表Table 2 World site error statistical table

圖10 界址點誤差分布圖Fig.10 Error point error distribution

5 結論

本項目研究無人機傾斜攝影測量技術在農(nóng)村地籍測量中的應用,并以安徽安慶太慈鎮(zhèn)實際航測項目為例,分析了大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機地籍測量技術的可行性,同時獲得了農(nóng)村實景三維模型、高分辨率正射影像圖,數(shù)字地籍圖,所得成果均符合相關規(guī)范精度要求,可為農(nóng)村地籍測量提供參考。在無人機軟件與硬件齊頭并進高速發(fā)展的今天,更輕便、高效、高精度的無人機傾斜攝影測量將會成為傳統(tǒng)耗時耗力工作量過大的地籍測量手段的有效替代和補充。而隨著低空多旋翼無人機的持續(xù)性研發(fā),在小范圍、碎片化的農(nóng)村地區(qū)地籍測量中可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢,減輕測繪人員的工作強度,同時在智慧校園、智慧城市、實時災害監(jiān)測評估等領域,無人機也將繼續(xù)體現(xiàn)其巨大的價值。