房地一体测绘中无人机倾斜摄影测量技术的应用

2024-01-31李永红

建材与装饰 2024年4期

李永红

［广州市从化区规划和测绘地理信息中心（广州市从化区地下管线信息管理中心），广东广州 510000］

0 引言

在房地一体化工程持续推进的背景下，测绘工作涉及的数据越来越多，所以对测量方法的要求越来越高。无人机倾斜摄影测量技术具有诸多优势，不仅应用成本较低、测量效率较高，且测量数据十分精准。但由于这一技术属于新型技术，因此，相关行业还应重点探究此技术在房地一体测绘中应用的可行性和效果。

1 无人机倾斜摄影测量技术概述

无人机倾斜摄影测量技术指的是基于无人机的应用，倾斜摄影，对地物数据进行获取，并以3D 形式呈现。这一技术目前在测量工作中较为常用。3D 形式数据主要涉及地物坐标、地物外观以及地物几何数据等。应用具备多源数据加载功能的平台对3D 模型予以构建，可实现测绘效果。以技术分类角度分析，无人机倾斜摄影测量归属航空摄影测量领域，但相较于以往采用的航空摄影技术，无人机倾斜摄影测量技术还存在较大差异，传统技术传感器方向单一，仅可基于垂直角度对地物进行拍摄，而通过无人机承载不同方向传感器，可从多角度获取影像信息，得到3D 空间数据。而且，无人机具有体积较小、灵动性较高的特点，所以在小型地物测绘中更为适用。

2 无人机倾斜摄影测量技术在房地一体测绘中的应用内容

2.1 仪器设备选用

现阶段，常见无人机类型有固定翼无人机，单旋翼无人机，多旋翼无人机，单旋翼、固定翼混合垂直起降无人机4 种。在这4 种类型无人机中，多旋翼无人机不仅体型较小、功率较低，且便于悬停，所以更适用于房地一体测绘作业。由于测绘作业要求无人机具备较高稳定性，还应合理限定无人机本身各项参数。本文研究以大疆M600 六旋无人机为主，导航和控制采用A3 飞控，其飞行载重为6kg，悬停垂直精度和水平精度分别为0.5m、1.5m，飞行速度为18m/s，飞行高度最高可达2500m，智能电池6 块，续航时间在30min 左右。无人机上传感器倾斜摄影系统选用睿铂DG3，相机设备选用索尼ILCE-5100，下视镜头焦距和倾斜相机镜头焦距分别为27.6mm、40mm，像幅23.5mm×15.6mm，像元分辨率0.00392mm[1]。

2.2 航线规划

（1）确定航高。无人机飞行高度不仅决定着飞行安全，也会对数据的采集质量造成影响。在无人机倾斜摄影航向规划中，确定航高属于基础环节。结合地形情况和安全飞行条件，对基准面高度予以确定。基于地形图上高点平均高程和低点平均高程，计算摄影分区基准面高程。依据航拍摄像机焦距、像元尺寸以及地面分辨率要求，计算航高。

（2）敷设航线。通常情况下，航线采用井字型。在分析实地高程情况的前提下，结合倾斜摄影精度要求，对航线间隔和航高予以明确。首末航线在摄区边界线外敷设，并与摄区边界线保持平行。在航线规划中，应对总航程、总飞行时间、电池容量、摄影总面积等方面进行综合考虑，同时，评估天气情况，包括风向、风力等。航线旁向应与摄影区边界重叠，并保证旁向重叠在50%像幅以上，至少超出基线2 条。

2.3 航摄数据处理

航摄影像具有无序性，应通过空三解算，使其与空间对应，并建立与真实状态相符的实景模型。空三解算的目的，在于通过摄像对连接点和部分地面控制点进行匹配提取，进而在控制点地面坐标系中纳入所有区域，对影像外方位元素地面坐标、加密点地面坐标予以获取。在解算处理前，需要采集外业数据，测量像控点、像控检查点。针对航摄数据的处理，本文主要采用Smart3D 软件。通过这一软件，可实现全自动空三解算，将POS 数据和影像数据导入其中，待空三加密操作后提取和匹配特征，并平差优化，以优化相机内方位，进而基于像控点信息的利用再次加密，同时为使解算精度得到提高，对相机参数、定位数据以及影像质量等方面进行处理，保证解算结果满足空三精度1:500 的要求，最后可视化呈现解算成果[2]。

2.4 实景模型构建

影像数据量较大，如果所用计算机性能不足，会对模型建立造成影响，所以先基于Smart3D 软件来分块处理整理数据，进而通过密集点云生成、三角网模型建立、纹理映射后，实现模型重构。以空三解算结果为依据，匹配多视影像，并对影像特征点进行检索，待明确矢量数据后进行映射处理、滤波处理、融合处理等，以生成密集点云。结合匹配的线元素，对三角网曲面予以构建，基于曲面曲度变化的利用，使模型数据得到简化，并将数据封装，建立3D 白膜模型，进而在纹理映射的基础上，在白膜模型贴图，完成实景模型构建，三维实景模型如图1 所示。

2.5 矢量数据采集

实景模型数据格式为OSGB，利用EPS 测图软件对数据进行加载，采用2D、3D 联动裸眼模式来采集数据。基于EPS 软件可实现2D、3D 联合工作的开展，并对轮廓线予以直接提取，得到精确度较高的测区建筑数据，能有效提高数据采集效率，保障数据采集精准性，测区三维模型测图界面如图2 所示。在采集数据过程应注重以下事项：①采集时应切换视图模式为正射或切片模式。②在对房屋数据进行采集时，应在3D 模式下对房屋结构予以查看，并单独采集阳台部分，针对房屋边线清晰可见的情况，可直接采用画线工具，但对于房屋边线或房角难以看清的情况，应按边采集，标记无法确定的房角位置，为外业核查工作提供依据。③在点状地物采集过程，应基于正射模式对地物几何中心点进行采集，并切换切片模式对模型高度予以调整，进而得到最佳方位，在采集时应注重各要素之间的拓补关系，特别是居民地要素。④在测图过程，针对不依比例尺的线状地物，以中心线量测宽度为主，而对于依比例尺的地物边线，以一般量测符号宽度为主，测图单位为图幅。⑤针对凹房角或存在房角难以辨识的情况，应查看房屋拐角位置，判断拐角模型是否处于完整状态，进而使用自动垂直角点辅助线来检验误差，通过误差纠正，将端点之间误差控制在3cm 以下。为提高采集数据精度，在采集过程应控制数据质量，检核信息采集各细节，以保证地籍和房产的测量精度满足标准要求[3]。

图2 测区三维模型测图界面

3 无人机倾斜摄影测量技术应用实例

本文以江苏省常州市庙桥村为例进行讲解。庙桥村位于南夏墅街道东侧，临靠嘉镇和前黄镇，占地面积在2km2左右，属于平原地区，平均海拔大约为5m，其中设有自然村17 个，拥有村民户数1092 个。

3.1 外业踏勘

收集、分析测区资料，对设备飞行器信息、人员登记信息进行采集，基于地图数据进行外业踏勘，在地图上标记测区楼层较高的房屋，进而合理规划外业线路，明确飞行高度。以保障飞行安全为前提，对基站位置、飞行路线进行规划。在外业踏勘环节，应与当地公安部门沟通对项目予以备案，并与重点单位交流。

3.2 数据采集

在本测区中，航高为135m，地面分辨率为0.02m，像片旁向重叠大约为70%，航线弯曲度在3%以下，像片倾斜角和旋偏角分别不超过2°、7°。影像颜色饱和，色彩均匀，层次丰富，影像不存在云影质量问题。

3.3 内业数据处理

结合作业范围，对像控点位进行选取，间距平均在200m 左右，基于RTK 开展外业施测作业。通过CORS系统来差分处理，飞行器中POS 记录结果已经过解算，所以无须二次解算操作。针对解算结果，利用Terra Solid软件来检查质量。首先，检查数据能否覆盖全测区；其次，检查航带之间重叠是否超过70%，是否存在遗漏问题；最后，检查航带拼接能否支撑后续数据处理工作的开展，控制误差小于0.05m，针对误差超出标准范围的情况，回到数据预处理环节，对数据予以重新解算[4]。

3.4 模型构建

待解算结果完成质量检查后，在Smart3D 软件中导入数据，通过空三解算，对模型予以构建，在这一过程中，需要保证模型具有分明棱角和清晰纹理，以3D形式完整呈现测区场景。

3.5 模型测图

在EPS 软件中导入测区3D 模型，对地物真实位置予以判断，分析地物结构特征，并基于人机交互切片工具的应用，对房屋房角进行准确捕捉，完成房屋结构轮廓的获取，利用2D、3D 联动裸眼模式采集房屋数据，保证房屋和房檐边线清晰可见，针对未显现的房屋拐角，以倒角方式对拐角位置坐标予以计算，也可开展外业作业进行补测，进而绘制地籍图，以dwg 格式导出，检查导出地籍图质量。待质量检查完成且经过外业校核后，分层处理地籍图，得到房产图数据，同时，结合照片识别房屋附属结构，包括阳台、露台、飘楼以及走廊等，并判断其状态是开或是闭[5]。

3.6 精度分析

为验证无人机倾斜摄影测量技术的应用效果，在外业应用RTK 全站仪，对内业模型测图结果精确性进行检验。本测区航摄检查平面点位和高程点位分别30 个，其中，点平面位置中误差、最大误差分别为0.0359m 和0.088m，高程中误差、最大误差分别为0.0282m 和0.068m，经检验，点位精度满足标准精度要求，点位建模精度如图3 所示。同时，对模型测图边长精确性进行检验，随机选择房屋30 处，基于测距仪对边长予以实地量测，进而结合模型数据来评定边长精度，边长监测较差如图4 所示，两者偏差值处于±6cm 范围，对30 条房屋界址边长开展高精度量测，残差最大值和最小值分别为0.054m 和0.007m，与二级精度指标要求相符。

图3 点位建模精度

图4 边长监测较差

总体来讲，在房地一体测绘中应用无人机倾斜摄影测量技术，成果成图精度满足标准要求，相较于传统测量方式，具有测量效率、精准度较高的优势。边长精度中误差为2～3cm，平面精度大约75%小于4cm，误差超过4cm 的原因：①房屋四周存在遮挡物致使模型构建质量较低。②作业人员测图经验较少导致采集质量较差。所以，为保证成图精确度，应确保模型质量和作业人员专业能力。