鄒 馨 劉 健 陳曉勇

(1. 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 南昌 330013；2. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094)

0 引言

不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量是在不動(dòng)產(chǎn)管理工作中的重要內(nèi)容,通過(guò)對(duì)不動(dòng)產(chǎn)的量測(cè)為不動(dòng)產(chǎn)登記和城市規(guī)劃提供數(shù)據(jù)[1]。目前,在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量方法上多以全站儀與全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)-網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)組合測(cè)量為主,該方法作業(yè)簡(jiǎn)便安全,比較穩(wěn)定,但作業(yè)速度慢,外業(yè)工作強(qiáng)度大,內(nèi)外協(xié)同效率低下將極大地影響不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記的質(zhì)量和進(jìn)度。時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)多、要求高的測(cè)量工作也容易造成工作人員精力不足、壓力過(guò)大、效率不高、質(zhì)量欠佳的情況[2]。采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量,提高了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性、數(shù)據(jù)的精度,減輕外業(yè)工作負(fù)擔(dān)。目前,國(guó)家對(duì)于傾斜攝影測(cè)量控制點(diǎn)的布設(shè)方案還沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),按照常規(guī)攝影測(cè)量的外業(yè)規(guī)范布設(shè)控制點(diǎn)會(huì)降低工作效率且提高生產(chǎn)成本。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究?jī)A斜攝影控制點(diǎn)布設(shè)密度與模型精度的關(guān)聯(lián)性以及在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用。唐楨、劉光鑫[3]總結(jié)得出定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system, POS)數(shù)據(jù)以及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量,可以很大程度上提高傾斜影像連接點(diǎn)的提取效率,提高傾斜攝影三維建模的效率和精度；Gerke M和Przybilla H J[4]基于配置RTK的無(wú)人機(jī)常規(guī)航空攝影,分析了控制點(diǎn)數(shù)量對(duì)空三精度的影響；成李博等[5]研究控制點(diǎn)布設(shè)均勻性對(duì)三維模型精度的影響,得出增加像控點(diǎn)的均勻性會(huì)提高模型的精度；趙艷玲等[6]研究不同控制點(diǎn)布設(shè)方案對(duì)成圖精度發(fā)影響,研究表明控制點(diǎn)個(gè)數(shù)增加的同時(shí)成圖精度也在增加,當(dāng)控制點(diǎn)增加到一定數(shù)量時(shí)精度趨于穩(wěn)定；周勝潔等[7]分析了不同像控點(diǎn)的布設(shè)方案對(duì)空三精度的影響,得出在周邊與區(qū)域內(nèi)部適當(dāng)均勻布設(shè)控制點(diǎn)的“傾斜攝影區(qū)域布控法”為最優(yōu)像控布設(shè)方式；趙國(guó)梁等[8]以西安市長(zhǎng)安區(qū)任家莊村1∶500不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量為例,說(shuō)明該技術(shù)可以滿足1∶500不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量和地籍測(cè)量的需要。

隨著免像控技術(shù)的出現(xiàn)[9-10],本文研究免像控以及像控點(diǎn)的個(gè)數(shù)是否影響基于三維模型采集的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)。本文以河北省張家口市懷來(lái)縣某地為試驗(yàn)區(qū),在該區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)像控點(diǎn)。系統(tǒng)地介紹了在無(wú)像控點(diǎn)和有像控點(diǎn)情況下的數(shù)據(jù)采集,外業(yè)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到不同情況下的三維模型,基于三維模型采集宗地面等不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù),并對(duì)采集數(shù)據(jù)與RTK實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比,分析免像控點(diǎn)和有像控點(diǎn)在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量中的應(yīng)用精度。

1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)及處理流程

1.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)基本原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是一種新興的攝影測(cè)量技術(shù),具有更加豐富與多角度的紋理影像數(shù)據(jù)、更高的分辨率、更加寬廣的視場(chǎng)角,其工作原理如圖1所示。該技術(shù)采用無(wú)人機(jī)搭載多個(gè)傳感器從垂直、前后及左右五個(gè)不同角度采集待測(cè)區(qū)的影像,通過(guò)對(duì)影像建模得到三維模型[11-14]。

1.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示,主要包括外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采集,外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集和RTK數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理為三維模型的生成和界址點(diǎn)、界址線、宗地面等不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。

圖2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

1.2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在無(wú)人機(jī)航飛之前,對(duì)所有的設(shè)備、裝置進(jìn)行檢查,主要包括航測(cè)相機(jī)的檢校,飛機(jī)性能的檢測(cè),電池的電量,確保設(shè)備安裝和各項(xiàng)設(shè)置正確無(wú)誤。收集待測(cè)區(qū)的地形地貌等自然地理信息,對(duì)測(cè)區(qū)勘探并且確定航攝區(qū)域、航線規(guī)劃、像控點(diǎn)的布設(shè)。像片控制點(diǎn)應(yīng)遵循基本原則,根據(jù)測(cè)區(qū)范圍均勻布點(diǎn)、且盡量在旁向重疊線中線附近,聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn),保證航攝達(dá)到航向、旁向重疊度的要求。布設(shè)像控點(diǎn)后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,并且選擇有利的氣象條件開(kāi)展航攝,保證航攝影像質(zhì)量。

1.2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括幾何變形的影像進(jìn)行糾正、格式轉(zhuǎn)換、勻色處理等。在傾斜攝影測(cè)量中,空中三角測(cè)量是串聯(lián)航測(cè)外業(yè)和內(nèi)業(yè)的一個(gè)至關(guān)重要的步驟,其目的是減少外業(yè)工作量,利用有重疊度的航攝像片,根據(jù)相關(guān)算法進(jìn)行控制點(diǎn)加密,求得影像外方位元素、加密點(diǎn)的高程、平面位置,空三加密結(jié)果影響三維模型精度?？杖晒c多視影像匹配的精度息息相關(guān),由于傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)具有多視影像所具有的特點(diǎn),需要通過(guò)影像密集匹配減少空中三角測(cè)量后的冗余數(shù)據(jù)信息,提取獲得多視影像同名點(diǎn)。再通過(guò)紋理映射將紋理與色彩貼在表面模型上,得到具有高分辨率的三維模型。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理得到三維模型后還需要對(duì)遮擋區(qū)、信息缺失等地物進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)?；谌S模型,采用MapMatrix3D進(jìn)行二、三維聯(lián)動(dòng)采集數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)測(cè)圖,該作業(yè)模式能實(shí)現(xiàn)全方位視圖作業(yè),對(duì)同一地物通過(guò)不同角度進(jìn)行點(diǎn)線數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)提取。

3 不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)采集

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本文以河北省張家口市懷來(lái)縣某個(gè)村莊為研究區(qū)域,地形為南高北低,測(cè)區(qū)面積約為112 250 m2。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)主要地物信息為房屋建筑、道路,其中房屋建筑為居民住宅,房屋等不動(dòng)產(chǎn)相對(duì)密集且房屋建筑比較整齊,部分房屋存在邊緣堆放雜物的情況。該區(qū)域內(nèi)無(wú)民用機(jī)場(chǎng),飛行空域良好。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)航線的規(guī)劃,選擇天氣晴朗、風(fēng)小、能見(jiàn)度高等天氣狀況好的情況下,避開(kāi)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的高壓電力線和軍民航空器。本次試驗(yàn)區(qū)航飛無(wú)人機(jī)使用大疆M 300RTK,搭載賽思PSDK102S五鏡頭相機(jī)進(jìn)行航空影像數(shù)據(jù)采集。

大疆M 300RTK無(wú)人機(jī)飛行高度約為60 m,航向重疊度為75%,旁向重疊度是75%,最終采集航空影像5 525張。

由于測(cè)區(qū)范圍內(nèi)部分房屋存在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)不清晰,采用RTK進(jìn)行外業(yè)補(bǔ)測(cè)。RTK測(cè)量的數(shù)據(jù)主要包括遮擋較嚴(yán)重的房屋、人無(wú)法到達(dá)的測(cè)量地點(diǎn)、被樹(shù)木或者電線遮擋住的位置等情況。補(bǔ)全數(shù)據(jù)后,采用RTK采集不動(dòng)產(chǎn)檢查點(diǎn)的三維數(shù)據(jù),便于與模型采集的點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)整理,篩選出質(zhì)量較差的影像并剔除,然后在ContextCapture軟件中導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù),在免像控、1個(gè)像控點(diǎn)、4個(gè)像控點(diǎn)、全部像控點(diǎn)情況下分別進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。通過(guò)空三解算,得到空三精度報(bào)告?？杖瓿珊髽?gòu)建TIN格網(wǎng)、紋理映射等操作生成實(shí)景三維數(shù)據(jù)格式(open scene graph binary,OSGB)的實(shí)景三維模型,如圖3、圖4所示。從圖中可以看出,模型上的地物無(wú)明顯變形、建筑物平整清晰,建模效果整體較好。

圖3 整體三維模型

圖4 局部三維模型

將OSGB格式的三維模型與對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)文件導(dǎo)入MapMatrix3D軟件中,使用MapMatrix3D軟件采集三維模型的地物信息。采集過(guò)程中,通過(guò)正視和傾斜兩個(gè)視角采集數(shù)據(jù),對(duì)于獨(dú)立地物例如獨(dú)棟、規(guī)則的房屋可以選擇提取輪廓線、多點(diǎn)擬合邊測(cè)房采集房屋的宗地面信息,對(duì)于弧形、非直角等不規(guī)則地物切換線串、樣條等狀態(tài)進(jìn)行繪制,對(duì)于房屋附著物例如廚房、圍墻等采用多點(diǎn)擬合修測(cè)地物進(jìn)行繪制,對(duì)于圍墻、道路等其他地物信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的繪制，如圖5所示。

圖5 局部不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

4 精度評(píng)價(jià)

本次試驗(yàn)使用相同的傾斜攝影影像在有無(wú)像控點(diǎn)的情況下構(gòu)建4個(gè)三維實(shí)景模型,為驗(yàn)證基于三維模型采集的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)精度是否符合要求,利用外業(yè)實(shí)地打點(diǎn)檢查的方法對(duì)采集的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的同名點(diǎn)對(duì)比,檢驗(yàn)不同情況下采集的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的精度。根據(jù)檢查點(diǎn)的點(diǎn)位誤差驗(yàn)證無(wú)像控點(diǎn)和有像控點(diǎn)的傾斜攝影測(cè)量在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量的精度情況,及大范圍內(nèi)不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量的可行性。

自然資源部發(fā)布《地籍調(diào)查規(guī)程》(TD/T1001—2012)[15]中對(duì)界址點(diǎn)精度要求如表1所示,其中一級(jí)界址點(diǎn)精度要求為中誤差不大于5 cm。

表1 地籍界址點(diǎn)的精度 單位:cm

在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻的選取檢查點(diǎn),本次共選取檢查點(diǎn)30個(gè),分別包括5個(gè)地面固定地物點(diǎn)、5個(gè)圍墻點(diǎn)、20個(gè)墻角點(diǎn)。并采用GPS-RTK技術(shù)實(shí)地量測(cè)出布設(shè)檢查點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo),并將實(shí)測(cè)值(XRTK,YRTK,ZRTK)作為真值,同時(shí),在實(shí)景三維模型中量測(cè)檢查點(diǎn)并導(dǎo)入ArcGIS中獲取模型采集對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)并取平均值作為模型采集的坐標(biāo)(X模型,Y模型,Z模型)。利用點(diǎn)位平面誤差公式、點(diǎn)位高程誤差公式、同精度中誤差對(duì)無(wú)像控和有像控情況下得到的試驗(yàn)區(qū)三維模型進(jìn)行點(diǎn)位精度、高程精度分析。

點(diǎn)位平面誤差計(jì)算公式為

(1)

精度中誤差為

(2)

式中,ΔSi為檢查點(diǎn)為實(shí)測(cè)點(diǎn)與模型采集點(diǎn)的點(diǎn)位平面誤差；ΔXi=RTK實(shí)測(cè)X—模型采集X；ΔYi=RTK實(shí)測(cè)Y-模型采集Y；M為平面中誤差；n為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

利用GPS-RTK真值與模型采集對(duì)應(yīng)值按照公式進(jìn)行精度檢查,得到三維精度具體值見(jiàn)表2。

表2 界址點(diǎn)點(diǎn)位誤差表 單位:m

根據(jù)公式計(jì)算得到四種模型采集的平面誤差如圖6所示,免像控情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.086 m；1個(gè)像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.048 m；4個(gè)像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.041 m；全部像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為0.044 m。

圖6 檢查點(diǎn)平面誤差圖

由圖6可知,布設(shè)像控點(diǎn)可以提高不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。免像控情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.243 m、最小為0.025 m；1個(gè)像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.098 m、最小為0.018 m；4個(gè)像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面誤差最大為0.094 m、最小為0.015 m；全部像控點(diǎn)情況下得到的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)平面誤差最大為0.092 m、最小為0.004 m。整體上,有像控點(diǎn)情況下采集的平面數(shù)據(jù)接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),且檢查點(diǎn)平面誤差起伏較相似。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在無(wú)像控和有像控不同情況下得到的三維度模型進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量進(jìn)行研究,使用Smart3DCapture得到試驗(yàn)區(qū)的傾斜三維攝影模型,采用MapMatrix3D軟件進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)三維數(shù)據(jù)的采集,將采集數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，得出結(jié)論:

(1)用大疆M 300RTK無(wú)人機(jī)搭載賽思相機(jī)在飛行高度約為60 m進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝。在有像控點(diǎn)情況下采集的不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)的平面中誤差為低于無(wú)像控點(diǎn)情況采集的界址點(diǎn)數(shù)據(jù)。個(gè)別檢查點(diǎn)誤差較大,但是免像控情況下的誤差滿足三級(jí)0.1 m的精度要求,在三級(jí)限差范圍內(nèi)；有像控情況下的誤差滿足一級(jí)0.05 m的精度要求,在一級(jí)限差范圍內(nèi)。

(2)是否布設(shè)控制點(diǎn)會(huì)影響精度,在測(cè)量范圍、地形起伏小的地區(qū)布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)可以滿足地籍調(diào)查一級(jí)精度。等級(jí)的選用應(yīng)根據(jù)土地價(jià)值、開(kāi)發(fā)利用程度和規(guī)劃的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要而定。若對(duì)數(shù)據(jù)精度要求高則需要布設(shè)控制點(diǎn),但相對(duì)耗時(shí),可以根據(jù)精度要求及數(shù)據(jù)的緊迫程度選擇是否布設(shè)控制點(diǎn)。

采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求,在測(cè)量范圍、地形起伏小的地區(qū)布設(shè)1個(gè)像控點(diǎn)可以滿足地籍調(diào)查精度要求,為不動(dòng)產(chǎn)量測(cè)提供高精度、高效率的測(cè)量方式。通過(guò)傾斜攝影測(cè)量得到實(shí)景三維模型,正射影像數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)對(duì)今后權(quán)籍調(diào)查有意義,且精度滿足地籍調(diào)查精度,接下來(lái)將探討地形起伏對(duì)不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)精度的影響。