基于无人机倾斜摄影技术的地籍测量应用研究_王豪威.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-12-20作者简介:王豪威(1988-),男,河北石家庄人,工程师,硕士,2015 年毕业于东华理工大学测绘工程专业,主要从事工程测量等方面的应用研究工作。基于无人机倾斜摄影技术的地籍测量应用研究王豪威1,2,陈瑞功1,2,杨海成1,2(1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002;2.中核三维地理信息工程技术研究中心,河北 石家庄 050002)摘要:地籍测量是不动产确权登记的基础工作,本文在研究已有测量方法的基础上,探讨了一种基于无人机倾斜摄影技术的地籍测量方法。倾斜摄影技术利用多镜头无人机进行航空摄影,快速采集地面物体的多方位信息,通过专业配套软件进行三维模型生产和三维立体测图,并经过数据编辑软件进行数据编码,最终生成地籍图。最后选取某村庄进行试验,经过基于倾斜摄影技术采集的界址点与传统测量方法采集的检查点的精度对比,结果表明:该方法不仅减少了外业成本,且精度完全满足项目要求,倾斜摄影技术完全可应用于地籍测量工作。关键词:倾斜摄影;像片控制测量;三维建模;地籍测量中图分类号:P231 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0211-04Research on Cadastral Survey Application Based on UAV Oblique Photography TechnologyWANG Haowei1,2,CHEN Ruigong1,2,YANG Haicheng1,2(1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry,Shijiazhuang 050002,China;2.CNNC Engineering Research Center of 3D Geographic Information,Shijiazhuang 050002,China)Abstract:Cadastral survey is the basic work of real estate confirmation and registration.Based on the research of existing survey meth-ods,this paper discusses a cadastral survey method based on unmanned oblique photography.Oblique photography uses multi-lens drones for aerial photography.This technology can quickly collect multi-aspect information of ground objects.The 3d model produc-tion and 3d stereo mapping were conducted by professional supporting software,and the data coding was carried out by data editing software,and finally the homestead cadastral map was generated.This paper selects a village for experiment.Comparing the accuracy of the checkpoints collected by the oblique photography technology and the traditional surveying methods,the results show that this method can not only reduce the cost of field work,but also meet the project requirements completely.Oblique photography can be ap-plied to the measurement of cadastral survey.Key words:oblique photography;photo control measurement;3d modeling;cadastral survey0 引 言农村不动产确权登记工作具有建筑密集、工作范围小、原始资料少等特点,尤其是老房子区域分布凌乱,地形复杂。目前,常用的地籍测量方法主要有常规测量法、遥感影像解译法、三维激光扫描法。常规测量方式通常以 DOM 为底图,借助于全站仪+RTK 的手段进行实地测量,不仅耗时费力,而且生产成本高,同时工作效率低1;遥感解译方法其精度容易受影像分辨率、解译精度的影响而不能满足测量要求2;三维激光扫描方法不仅需要多次设站、测量范围有限、数据拼接工作烦琐,而且操作较为复杂,成本较高,不能满足工作需求3。本文在传统测绘方法的基础上,提出了一种使用无人机倾斜摄影方法来获取到地籍、建筑物测量数据的方法,并通过实例证明该方法不仅提高了工作效率,而且精度完全满足要求,对实现农村不动产快速测量工作具有一定的指导意义。1 倾斜摄影技术原理倾斜摄影测量系统主要有三大部分组成,分别为GNSS 系统、惯性导航系统和倾斜摄影系统。科研人员将GNSS 系统、惯性导航系统和倾斜摄影系统相结合建立了倾斜摄影测量技术,从多角度获取地物的纹理信息,并且通过先进的差分定位技术赋予地物影像精确的地理坐标信息,从而实现技术人员在内业就能进行建构筑物的测量与分析。GNSS 系统和惯性导航系统用于获取航摄影像的位置信息和姿态信息,即影像的内方位元素和外方位元素;倾斜摄影系统用于获取地物的影像信息。1.1 GNSS 系统全球卫星导航系统英文简称 GNSS,目前正在运行的主要有中国的 BDS 系统、俄罗斯的 GLONASS 系统、欧盟的伽利略系统和美国的 GPS 系统。该系统主要用于提供时间、空间基准和所有与位置信息相关的实时动态信息4。1.2 惯性导航系统惯性导航系统英文简称 INS,主要由 3 个部分组成,分别为计算机、控制器和 IMU(惯性导航测量单元),该系统用于自助式导航。IMU 由 4 个部分构成,分别为数字电路、CPU、加速度计和陀螺,主要功能用于测定姿态5。1.3 倾斜摄影系统目前,流行的倾斜系统主要按照测量相机个数区分,常见的有三相机倾斜系统和五相机倾斜系统。三相机的倾斜系统由宽场景的 3 台数码相机组成,通过中间 1 台获取垂直影像,另外 2 台分别获取不同方向的倾斜影像。五相机倾斜摄影系统数据获取技术一般由 5 个数码相机组成,包括 1 个垂直向下的测量相机镜头(焦距 65 mm)和 4个由不同曝光角度构成的测量相机镜头(焦距 85 mm)。倾斜航空摄影的相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸仍然满足三角比例关系,其航摄参数由配套的专用软件完成并生成 1 个飞行参数文件,该文件中包含各个相机的顶点曝光数据。2 倾斜摄影测量影像处理的关键技术倾斜摄影测量影像处理的关键技术主要包括非量测相机的高精度检测、影像预处理、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、数字表面模型生成、真正射影像纠正、三维建模等内容6。2.1 非量测相机的高精度检测无人机在航摄完影像以后,影像的数量比较多而且像幅较小,因此,需要根据影像的特点和相机的定标参数、拍摄姿态相关数据和有关几何模型对影像进行几何校正。2.2 多视影像联合平差多视影像主要由两部分组成,分别是垂直拍摄的影像和倾斜拍摄的影像。在跑空三处理数据时,单一的空三系统跑出来的模型效果较差,为保证模型精度就要用到多幅影像联合平差处理。在多视影像联合平差的过程中,需要注意以下的几个方面:1)影像有云雾、几何变形、有空洞等情况。2)将 POS 数据和像片控制点数据导入数据处理软件中,通过建立金字塔影像,在每一级影像上进行同名点的自动匹配和联合平差,就能够得到较好的同名点匹配结果7。2.3 多视影像密集匹配多视影像匹配技术重点是利用了多视影像的特点,然后使用影像中的其余信息,来对航摄地物中不正确的信息匹配后再次进行改正;通过使用多视影像中的部分信息,最大限度地针对盲区内的地物特征在此进行修正和补充。2.4 数字表面模型生成采用多视影像密集匹配的方法生成的数字表面模型(DSM)具有精度高和分辨率高的特点,这种工作方法已经是空间数据基础设施方面的主要方式,现在行业内部已经把这一方法作为重点研究的对象。但又因为多角度倾斜影像还会产生一小部分的色差、高度差和角度不同等,并且在少部分影像中会产生严重阴影遮挡的情况,这样 DSM 用倾斜影像自动获取就再次成为行业内的一个新的技术难点。现在行业内用自动空三测量先把每一张影像外方位元素计算出来,再用相对合适的影像匹配单元与之前计算出来的外方位元素进行特征匹配和像素级的密集匹配,并使用并行算法,以此来提高计算效率8。2.5 真正射影像纠正物方和像方这两种概念会在多视影像真正射影像纠正的时候遇到。我们把连续的数字高程模型(DEM)还有大量的离散分布并且粒度差异很大的这种地物对象定义为物方;把大量的多角度的影像定义为像方。使用物方和像方一起来进行纠正,能够较好地纠正多视影像真正射影像。在前面我们生成了 DSM 模型,它已经兼顾了地物的立体特点和地形的语义信息。首先,用多片拟合、特征提取等一些技术方法来提取和地面相关的一些信息;然后再用多视影像信息进行边缘提取、影像分割和纹理映射等算方法获取到像方信息;最后,再使用联合平差和密集匹配来建立地面和像方即像点和地面点的相应关系,在纠正的过程中兼顾几何辐射等系统误差的因素,再进行联合纠正,最终获得到正射影像9。2.6 三维建模将无人机低空倾斜摄影获取到的影像进行内业空中三角测量处理以后,将空三成果导入 CC 软件就可以生成三维模型。单体对象化的模型主要用于建(构)筑物独立的修改、替换或删除,其纹理也能使用软件来进行替换。非单体对象化的模型,也叫作倾斜模型,将处理完成的影像数据转换成超高密集点云,由此来创建 TIN 模型,并用该模型来生成基于该影像纹理的高分辨率的倾斜摄影模型。3基于无人机倾斜摄影技术的地籍测量方法 该方法的基本思路:首先,布设及测量像片控制点,获取实现空中三角测量的绝对定位空间位置;其次,利用搭载多镜头的无人机飞行系统进行多角度影像数据采集和飞行姿态数据(POS)采集;再次,通过专门的软件进行控制点选刺、空三加密,实现自动建模;最后,利用倾斜摄影技术得到的三维模型进行矢量测量,通过测绘专业编辑软件进行最终成果编码成图。3.1 像片控制点的布设及测量1)像片控制点的布设要求像片控制点坐标系统采用 2000 国家大地坐标系,地212 测绘与空间地理信息 2023 年图投影采用高斯-克吕格投影,按 3分带,保留带号。高程采用 1985 国家高程基准。坐标单位为“m”,保留 3 位小数;控制点成果编号按“区域号(KY(乡镇)JC(行政村)+点序号”进行,点序号自 001 编写;相控点按 100 m间距进行布设,每个区域最小布设点数不得低于 5 个并且必须均匀分布,呈三角形关联布设;像控点一般应选在影像清晰的明显地物上,可选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角顶点、影像小于 0.2 mm 的点状地物中心。对于地物特征不明显或纹理贫乏地区,可采用布标或者喷涂标。2)像片控制点的测量要求采用网络 RTK 的方法进行相片控制测量,其精度应满足 1500 11 000 12 000 地形图航空摄影测量外业规范(GB/T 79312008)、数字航空摄影测量 控制测量规范(CH/T 30062011)等相关规范要求7。平高控制点相对于邻近基础控