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        無人機(jī)攝影測量在房地一體化調(diào)查中的應(yīng)用

        2022-08-30 02:40:54王姜華曾娟娟何仁德
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年23期
        關(guān)鍵詞:測區(qū)建模精度

        劉 娣,王姜華,曾娟娟,何仁德

        (1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 湘潭 411100;2.湖南智強(qiáng)工程技術(shù)有限公司,長沙 410000;3.湖南虹康規(guī)劃勘測咨詢有限公司,長沙 410000)

        隨著全國各地房地一體化調(diào)查項(xiàng)目迅速地開展,無人機(jī)攝影測量在房地一體化調(diào)查中起到了非常重要的作用[1]。不動(dòng)產(chǎn)測量是房地調(diào)查項(xiàng)目中一項(xiàng)非常重要的工作,大部分不動(dòng)產(chǎn)測量采用的還是傳統(tǒng)的測量手段,如GPS-RTK、全站儀等,存在的問題有:房子密集、通視效果差,很多地方不易到達(dá)。而房地一體化調(diào)查項(xiàng)目范圍大,工期緊,因此外業(yè)工作量極大,人力成本也高,工期長,效率低等,如果利用無人機(jī)攝影測量將在滿足項(xiàng)目技術(shù)要求的前提下大大縮短項(xiàng)目工期從而及時(shí)完成房地一體化調(diào)查項(xiàng)目。

        1 無人機(jī)航測的應(yīng)用

        無人機(jī)航測是指在無人機(jī)上安裝航空攝影儀,從空中對地面目標(biāo)或空中目標(biāo)進(jìn)行攝影,獲取航攝像片或數(shù)字影像。目前無人機(jī)攝影測量的應(yīng)用涉及面非常廣,對比來看,國外大部分應(yīng)用于資源管理與環(huán)境監(jiān)測等,像自然資源管理和監(jiān)測,包括植被監(jiān)測、高光譜無人機(jī)圖像分類和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等;也有環(huán)境監(jiān)測/檢查,包括交通監(jiān)測、道路跟蹤、森林火災(zāi)監(jiān)測和河流監(jiān)測等行業(yè)領(lǐng)域。而國內(nèi)在工程建設(shè)和環(huán)境監(jiān)測方面應(yīng)用都比較多,尤其是基礎(chǔ)工程建設(shè)、智慧城市建設(shè)方面,如在智慧城市中利用無人機(jī)攝影測量進(jìn)行三維建模研究。

        對比傳統(tǒng)航空攝影測量以及傳統(tǒng)數(shù)字測圖手段,無人機(jī)航空攝影測量的優(yōu)勢有:小巧靈活、作業(yè)成本低、安全性能高、快速便捷及低空飛行精度高,非常適用于區(qū)域面積高分辨率影像的獲取,因此國家測繪地理信息局逐步在全國測繪系統(tǒng)配備并推廣輕小型無人機(jī)[2-3]。無人機(jī)攝影測量技術(shù)能夠快捷地獲取到所需的圖像,有效地提升生產(chǎn)效率,降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,憑借其優(yōu)勢,在一些測繪工程中也逐步用無人機(jī)攝影測量代替了一些傳統(tǒng)的測量手段[4]。如在道路橋梁工程的前期勘測中,原先采用的是傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合RTK技術(shù)進(jìn)行數(shù)字測圖,由于測量范圍廣,地形復(fù)雜,造成測量進(jìn)度緩慢,有時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)測量人員人身安全問題,現(xiàn)在采用無人機(jī)攝影測量大大縮短了時(shí)間,節(jié)約了人力物力。目前無人機(jī)攝影測量可以完成1∶500數(shù)字測圖,并且也有案例成功將根據(jù)攝影測量技術(shù)進(jìn)行的三維建模技術(shù)應(yīng)用到城市測圖中,應(yīng)用到不動(dòng)產(chǎn)變更測量中[5-7]。

        2 房地一體化項(xiàng)目傳統(tǒng)測量技術(shù)方法

        常規(guī)的房地一體化項(xiàng)目需要提前制作工作底圖,一般選用大比例尺(1∶500~1∶2 000)的地形圖、正射影像圖或已有地籍圖及宗地圖作為基礎(chǔ)圖件,地形測量利用全站儀與RTK以1∶500的比例尺進(jìn)行全野外解析法測量,利用解析法完成界址測量與房產(chǎn)測量,再利用測量CASS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,技術(shù)路線流程如圖1所示。

        圖1 傳統(tǒng)方法技術(shù)路線圖

        3 無人機(jī)在房地一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用

        利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)進(jìn)行房地一體化調(diào)查,可以省略工作底圖的制作,利用航拍影像生成的三維模型進(jìn)行權(quán)屬調(diào)查,通過模型的線劃處理獲得宗地面積、界址點(diǎn)坐標(biāo)以及房產(chǎn)面積等數(shù)據(jù)。技術(shù)路線如圖2所示。

        圖2 無人機(jī)方法技術(shù)路線圖

        利用無人機(jī)對測區(qū)攝影測量,可實(shí)現(xiàn)三維模型的建立,結(jié)合模型數(shù)據(jù)來進(jìn)行權(quán)屬調(diào)查,有利于權(quán)屬調(diào)查的辨別與判斷,同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量,用于不動(dòng)產(chǎn)的量算,從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)攝影測量在房地產(chǎn)一體化項(xiàng)目中的應(yīng)用,促進(jìn)房地一體化項(xiàng)目的開展。

        3.1 明確相關(guān)技術(shù)質(zhì)量要求

        各相關(guān)技術(shù)精度要求嚴(yán)格按照下發(fā)的湘自然資辦發(fā)〔2020〕75號文件執(zhí)行,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)見表1,界址點(diǎn)和房角點(diǎn)測量精度指標(biāo)見表2。

        表1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

        表2 解析界址點(diǎn)和房角點(diǎn)測量精度指標(biāo)

        3.2 飛行工作

        飛行前對測區(qū)進(jìn)行踏勘,飛行攝影前需要做好像控點(diǎn)的布設(shè),像控點(diǎn)的坐標(biāo)可通過GPS測量獲得。選擇合適的無人機(jī)與攝影儀,選定合適的無人機(jī)起降點(diǎn),提前做好航線規(guī)劃,提前通過天氣預(yù)報(bào)了解天氣情況,確定適合的時(shí)間。其中,像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)選擇不被遮擋、對天通視良好且容易明確辨認(rèn)的地物點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)。飛行的各項(xiàng)參數(shù)可在試飛階段實(shí)驗(yàn)完成,確定航線規(guī)劃、拍攝高度和傾斜角度等的最佳參數(shù)。飛行時(shí)注意做好安全防護(hù)措施,無人機(jī)攝影要有經(jīng)驗(yàn)的飛行手進(jìn)行操作,按照準(zhǔn)備工作確定的各項(xiàng)參數(shù)輸入控制平板,操作無人機(jī)起飛執(zhí)行任務(wù),直至任務(wù)完成。任務(wù)完成后檢查影像質(zhì)量,如有漏洞及時(shí)補(bǔ)測,補(bǔ)測相機(jī)參數(shù)設(shè)置要一致。

        3.2.1 無人機(jī)的選用

        無人機(jī)的選用是否合理是無人機(jī)攝影測量能否實(shí)施的前提。根據(jù)精度要求、場地情況和天氣情況,續(xù)航能力要求等的不同,無人機(jī)選用的要求也會(huì)不同。本項(xiàng)目由于位于城郊區(qū),房屋周邊情況比較復(fù)雜,因此需要續(xù)航能力比較強(qiáng)、速度快的無人機(jī),此外還要求無人機(jī)操作簡單且運(yùn)輸攜帶方便,同時(shí)要求采用RTK定位,能自動(dòng)感知障礙物,定點(diǎn)起降,精準(zhǔn)作業(yè),以滿足測圖要求。

        綜合考慮,本次項(xiàng)目采用大疆的精靈4 RTK搭載五向鏡頭,此款無人機(jī)將厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)結(jié)合在一起,小巧便攜,既滿足了航測的精度又提高了效率,同時(shí)還減少了作業(yè)成本。對于建圖作業(yè)來說,精度與效率至關(guān)重要。其攜帶的RTK功能多頻多系統(tǒng)高精度RTK GNSS能達(dá)到定位精度:垂直1.5 cm+1 ppm(RMS);水平1 cm+1 ppm(RMS),滿足GB/T 7930—2008《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求,可以做到免像控布設(shè)進(jìn)行測量,具體關(guān)鍵指標(biāo)見表3。

        表3 精靈4RTK無人機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)

        3.2.2 航線規(guī)劃

        航線的規(guī)劃是無人機(jī)攝影測量的關(guān)鍵,合理與否決定了影像的完整度與冗余度是否符合要求。航線間距過大,會(huì)造成局部攝影不全,反之航線間距過小,雖保證了影像的完整卻造成了時(shí)間的浪費(fèi)以及不必要的工作量增加,因此航空攝影測量規(guī)范對影像重疊度有明確要求,為滿足航測成圖的要求,一般規(guī)定見表4,如果地形起伏較大,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高重疊度值[8]。

        表4 重疊度一般要求

        然而結(jié)合目前無人機(jī)傾斜攝影要完成的項(xiàng)目來看,成圖比例尺大,精度要求高,因此一般規(guī)定的重疊度滿足不了項(xiàng)目要求。根據(jù)三維傾斜數(shù)據(jù)的處理經(jīng)驗(yàn)來看,基于像控點(diǎn)約束,為了滿足房屋測量采集項(xiàng)目高精度的要求,傾斜影像應(yīng)獲取地面分辨率優(yōu)于2 cm的影像數(shù)據(jù),同時(shí)其航向、旁向重疊度一般建議優(yōu)于70%,以確保三維模型的效果。而當(dāng)測區(qū)存在高樓時(shí),則應(yīng)適當(dāng)加大重疊度,保證高層建筑的模型效果。對于地形起伏較大的區(qū)域,則應(yīng)根據(jù)地形變高飛行,保證測區(qū)內(nèi)大部分地物的分辨率都優(yōu)于2 cm,以此來保證三維模型的效果及精度。

        結(jié)合本次項(xiàng)目測區(qū)踏勘的情況分析,設(shè)計(jì)地面分辨率為1.7 cm,航高為100 m,航向重疊度為85%,旁向重疊度為70%,每個(gè)架次預(yù)計(jì)飛行時(shí)間約為30 min。將測區(qū)范圍線導(dǎo)入無人機(jī)管家軟件內(nèi),軟件自動(dòng)生成滿足測區(qū)地形情況和精度要求的最佳航線。

        3.3 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)處理

        無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)處理包括傾斜三維建模及數(shù)據(jù)處理分析。具體為:將攝影質(zhì)量合格的影像導(dǎo)入專門的軟件中,通過導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)、匹配坐標(biāo)系、空中三角測量和空三解算等操作進(jìn)行三維建模。根據(jù)建立的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)線劃處理,線劃提取過程中做到不變性、不移位、無錯(cuò)漏。最后根據(jù)線劃的數(shù)據(jù)利用軟件計(jì)算分析獲得對應(yīng)的界址點(diǎn)坐標(biāo)、房產(chǎn)面積等不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)。

        三維建模:采用合適的無人機(jī)攝影測量建模軟件是房地一體化調(diào)查的重要步驟。利用軟件功能生成實(shí)景模型,為調(diào)查對應(yīng)的場景以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)的調(diào)查人員可以快速判斷并完成對應(yīng)的房地調(diào)查。本項(xiàng)目采用Smart3D軟件進(jìn)行傾斜攝影、空中三角測量計(jì)算與三維建模。具體空三建模流程如圖3所示。

        圖3 空三建模流程

        由于測區(qū)大,重疊度高,數(shù)據(jù)多、任務(wù)量較大,因此將測區(qū)分割成多塊進(jìn)行內(nèi)業(yè)建模以加快處理數(shù)據(jù)的速度。建模分塊的大小以及重疊度要結(jié)合測區(qū)范圍大小與軟件性能來確定,最后根據(jù)測區(qū)大小確定生成三維成果的范圍,并使用kml格式的范圍線數(shù)據(jù)對建模區(qū)域進(jìn)行約束,模型成果輸出為OSGB格式。部分范圍模型效果如圖4所示。

        圖4 測區(qū)三維模型效果

        特征點(diǎn)提取:本項(xiàng)目利用map3D軟件進(jìn)行線化提取,生成dwg地形圖,在畫圖過程中遇到分辨不出的地物要做好標(biāo)識(shí),需要開展外業(yè)測繪補(bǔ)充完善,線化提取部分成果如圖5所示,線化提取后還需利用CASS軟件對圖形進(jìn)行修整。

        圖5 線化提取成果

        3.4 精度檢驗(yàn)

        從測區(qū)按比例抽取地物進(jìn)行野外測繪其房屋界址點(diǎn)坐標(biāo)、房屋邊線長度以及面積,經(jīng)檢查符合規(guī)范精度要求。

        4 結(jié)束語

        無人機(jī)攝影測量技術(shù)的不斷發(fā)展加深了在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展,其高效率的工作方式比傳統(tǒng)測量方式節(jié)約了大量的人力物力,大大縮短了工期。但是由于其精度以及成本問題,在選用測量技術(shù)方法時(shí),還要結(jié)合項(xiàng)目具體的特點(diǎn)以及綜合成本來考慮。此外在選用無人機(jī)攝影測量方法時(shí)要選擇合適的無人機(jī)以及三維建模軟件,采用合適的方法得到滿足技術(shù)要求的數(shù)據(jù)成果。

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