无人机倾斜摄影技术在新疆权籍调查中的应用_高钊.pdf

技术探讨地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022无人机倾斜摄影技术在新疆权籍调查中的应用引文格式：高 钊，张德成，闫琳琳，等.无人机倾斜摄影技术在新疆权籍调查中的应用J.地理信息世界,2022,29(6):104-107,113.Application of UAV Oblique Photography Technology in Xinjiang Cadastral Survey高 钊1，张德成1，闫琳琳2，方 征1，王 伟11.自然资源部第一大地测量队，陕西 西安 710054；2.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054GAO Zhao1，ZHANG Decheng1，YAN Linlin2，FANG Zheng1，WANG Wei11.The First Geodetic Survey Team of Ministry of Natural Resources,Xian 710054,China;2.The First Geographical Information Cartography Institute of Ministry of Natural Resources,Xian 710054,China【摘要】针对传统权籍调查测量方法作业周期长、外业工作量大、入户难、成本高等劣势，本文结合新疆某地权籍调查项目，论述利用无人机倾斜摄影技术快速构建高精度实景三维模型，通过二三维联动裸眼测图将房屋及周边地形要素矢量化成图。经过内业成果与外业实测界址点精度对比分析，平面图成果完全满足1500地籍图精度要求，验证了倾斜摄影技术规模化应用于权籍调查在提升效率和降低成本方面优势明显。同时，对如何提高三维建模效率、空三加密分块方法及像控点测量精度3方面问题给出了优化方案，对后续倾斜摄影技术改进和推广应用有一定借鉴意义。【关键词】倾斜摄影；权籍调查；三维建模；空三加密【中图分类号】P237 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0104-05Abstract：Inviewofthedisadvantagesofthetraditionalmeasurementmethodofcadastralsurvey，suchaslongoperationcycle，largefieldworkload，difficultytogetintothehouses，andhighcost，combinedwithacadastralsurveyprojectoftheauthorsaffiliationinXinjiang，thispaperusestheUAVobliquephotographytechnologytoquicklybuildahigh-precisionreal-scenethree-dimensionalmodel，andvectorizesthehouseandsurroundingterrainelementsthroughthetwo-dimensionalandthree-dimensionallinkagenakedeyemappingmethod.Accordingtothecomparativeanalysisoftheaccuracyoftheboundarypointsmeasuredinthefieldandtheinternalresults，theaccuracyoftheplanresultsmeetstheaccuracyrequirementsofcadastralmap（1500）.Thestudyalsoverifiesthatthelarge-scaleapplicationofthismethodinthecadastralsurveyhasobviousadvantagesinimprovingefficiencyandreducingcost.Atthesametime,thispapergivesanoptimizationschemeforthethreeproblemsencounteredinobliquephotogrammetry，suchashowtoimprovetheefficiencyofthree-dimensionalmodeling，aerialtriangulation,andthemeasurementaccuracyofimagecontrolpoints，whichisofcertainreferencesignificancetotheimprovementandfurtherpopularizationandapplicationoffollow-upobliquephotogrammetrytechnology.Key words：obliquephotography；cadastralsurvey；three-dimensionalmodeling；aerialtriangulation基金项目：陕西测绘地理信息局科技创新项目（SCK2020-10）作者简介：高钊（1988），男，河南洛阳人，工程师，硕士，主要从事摄影测量工作E-mail：收稿日期：2022-03-070 引 言根据自然资源部自然资源确权登记局关于进一步做好农村不动产确权登记工作的通知和政府工作要求，这两年各地先后开展不动产确权登记工作。新疆某地区结合实际情况，开展辖区地上附着房屋等建筑物、构筑物集体土地权籍调查工作，同时将权籍信息、不动产登记、纸质化档案等叠加整合完成数据建库、发证等工作。新疆某地区权籍调查项目，借助传统的全站仪+GPS-RTK的野外测绘方法存在作业周期长、外业工作量大、入户难、成本投入高等劣势，不能很好满足项目需求。近年来，随着我国无人机技术快速发展，高精度差分 POS 系统逐渐成熟及后期三维建模软件自动化程度和精度1越来越高，以多旋翼或垂直起降固定翼无人机搭载倾斜相机为主的无人机倾斜摄影技术应用越来越广泛。倾斜摄影技术特点主要是通过在同一飞行平台上集成垂直和倾斜多角度的传感器、高精度 POS 系统等来一次获取多方位的大重叠高清影像。相比传统航空摄影，倾斜摄影具有起降灵活，不受场地限制、成本较低、自动化程度高、数据精度高、成果类型丰富、生产周期短1052022年 第6期技术探讨等特点。这些年许多学者在三维建模优化和应用方面进行了研究。樊攀峰等2在提高倾斜摄影三维建模空三成功率上进行了改善，谭仁春等3在修复三维模型质量上进行了研究，徐思奇、曾艳、张伟、张德成等在倾斜摄影大比例尺测图应用改进方面进行了研究4-7。随着倾斜摄影高效性和建模精度越来越高，应用于不动产测绘领域优势显现8-10。本文主要提出利用无人机倾斜摄影技术规模化开展权籍调查，验证技术路线的可行性，并且成果精度完全满足 1 500 测图精度指标11，同时针对在倾斜摄影三维建模中遇到的几个问题进行探讨，并给出优化方案。1 倾斜摄影测量权籍测图技术流程新疆某地权籍调查项目主要应用倾斜摄影测量技术，包括航摄规划、像控布设、数据获取、三维建模、EPS 三维测图、外业调绘补测与精度检测等环节（图 1）。图 1 倾斜摄影测量权籍测图技术流程Fig.1 Technical process of oblique photogrammetry cadastral mapping1.1 航摄规划在收集完测区资料和实地踏勘后，要根据测区地形、人工建筑等情况确定飞行平台和传感器、航摄参数，规划航线。为了保证权籍调查图精度，三维模型的精度也要尽可能提高，设计阶段可通过降低飞行航高提高航摄分辨率和模型精度。航摄分辨率设置在 2 cm 左右，航向重叠和旁向重叠设置在 70%80%。在测区边界处一般旁向至少外扩 3 条航线、航向增加 3 条基线，以满足测区边界处模型的建模效果。1.2 像控布设像控点布设12是提高倾斜摄影建模精度和将模型转换到 CGCS2000 坐标系统的重要环节，像控点的布设密度和测量精度都直接影响后期空三加密精度。为了提高像控点精度，一般选择先布设像控点后航飞、加大像控点布设密度的方案。根据设计航线和测区地形，提前在测区范围内每隔 150 200 m 左右均匀布设 L 型靶标。点位尽量选在地势平坦、视野开阔、图上易于识别、不易破坏处。布设时在硬化地面可直接刷涂 L 型白色漆标；在土质松软、易被破坏的地方可以布设 L 型灰标。另外注意 L 型外角要刷尖刷直，利于内业提高刺点精度。1.3 数据获取航摄时间一般选择在 10:0015:00，光线条件好，目标阴影小，获取的影像清晰。像控点测量时一般采用CORS 网络 RTK 方式获取坐标，每个点位至少获取 3 次观测数据，取平均值。1.4 三维建模数据获取后，首先对影像和 POS 数据进行检查，一一对应后剔除影像不清晰或姿态不好的数据和照片；然后将数据导入 Smart3D 等建模软件，建立好工程后进行自由网平差，剔除粗差后对每个视角的影像进行像控点刺点，尽量保证每个视角都刺有控制点。刺点完成后，通过联合平差和多视影像匹配技术完成空三加密，生成高精度的密集点云和三角网，通过纹理映射方式最终生成三维模型或者 DSM、DOM、DEM 等产品。三维模型的精度可通过空三精度报告中检查点精度初步进行判断检查。1.5 EPS 三维测图将生成的三维模型成果导入清华山维 EPS 三维测图软件，先进行格式转换，将.osgb 转换为.dsm 格式，然后加载三维模型成果的.xml 文件即可直接裸眼在三维模型上进行矢量采集，还可以二维模型、三维模型联动采集，完成 1 500 权籍图测图。1.6 外业调绘补测与精度检测内业采集完成后，对于模型遮挡无法采集或者判读不准的地方安排外业调绘与补测，并对权籍图更新。根据地籍调查规程要求，测图完成后，需要对权籍图高 钊，等.无人机倾斜摄影技术在新疆权籍调查中的应用106地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷技术探讨界址点矢量精度进行外业检测，界址点中误差公式为：（1）式中，M为界址点中误差；Xi、Yi分别为界址点与真值在 X、Y 方向上的较差；n为样本数。规程要求，界址点相对于相邻地物的点位中误差不超过 5 cm，限差不超过 10 cm。利用全站仪外业实地随机测量一定量房角点、墙角点等界址点，与图上目标点位进行对比，统计中误差验证精度是否符合要求。2 倾斜摄影三维建模技术方案优化2.1 大数据量下提高三维建模效率外业处理大量数据条件有限，如何提高倾斜三维建模效率问题，建议主要从硬件和软件两方面优化。硬件方面，由于三维建模效率受多种硬件环境影响，选择建模的电脑主板显卡内存等需要均衡配置。空三主控机主频尽可能高，内存一般建议选择 64G 或 128G，保证空三加密时内存不会溢出。显卡建议至少选NVIDIA GTX系列，多节点并行，提高后期建模图形处理能力。空三加密阶段，图形处理比较占用内存，存放数据硬盘建议选用固态硬盘，并且工程和建模缓存分盘符存放更有利于数据交换，可以提高建模时读取速度。软件操作方面，刺像控点是三维建模中人工干预多，费时费力的环节。由于每一个像控点 5 个镜头都要刺点，每个镜头至少刺 3 5 张，为了提高工作效率，可将刺点任务分块，多人同时刺点，完成后再合并为一个工程。还可同时进行两个工程，刺点和后期建模任务交替进行，互不影响，提高计算机效率。后期三维建模瓦片分块时，瓦片大小尽可能设置较大，一般瓦片大小取计算机内存的三分之二，这样分块数少可以发挥计算机最大效率，也可以提高建模效率。2.2 空三加密分块优化一般影像超过 3 万张以上，直接整体空三加密，内存容易溢出，造成空三运算最后阶段经常失败报错，影响效率。这种情况可以将整个测区进行分块，经过实验每块数据量最好不超过 3 万张，如 8 万张影像，可以分成 3 块，分块之间必须有影像重叠和像控点重叠区域。3 块同时进行空三运算和刺点，完成后待空三精度验证合格再将 3 块合并到一起整体进行三维建模可提高建模效率。2.3 像控测量精度优化由于新疆沙尘暴频发，对 RTK 接收 CORS 站 GPS 信号有一定影响，接收卫星信号难以固定，个别控制点坐标可能会出现漂移。在检查空三精度报告时，可以发现个别检查点精度有明显偏差。优化方式可采取在每个小测区自架基站方式，降低信号因素影响。首先在内业检查中标注空三报告里精度异常的检查点；然后对周围的控制点筛查，排查出异常点坐标，对异常控制点进行补测；最后在空三刺点成果中直接替换补测点坐标，不需再重新刺点，直接再次进行空三运算即可更新空三精度。3 实验与精度分析3.1 实验区概况选取新疆测区0.79 km2作为实验测区，地形以平原、沙丘为主。航摄分辨率 1.5 cm，航高 96 m。采用飞马多旋翼无人机 D200，搭载飞马 D-OP300 倾斜相机低空航飞获取数据，每个架次飞行 30 40 min 左右，每天可飞行 5 架次。飞行平台和相机具体参数见表 1。表 1 飞行平台和相机参数Tab.1 Parameters of flight platforms and cameras飞行平台参数相机参数差分模式PPK/RTK相机型号SONY ILCE-6000空机重量6.5 kg镜头数量5续航时间48 min传感器尺寸APS-C(23.5 mm15.6 mm)巡航速度13.5 m/s有效像素1.2 亿(2 400 万 5)抗风能力5 级镜头焦距下视 25 mm，斜视 35 mm测控半径5 km倾斜角度45起降方式垂直起降相机重量1.5 kg为保证控制精度，加密像控点布设间隔，每隔 150 m左右布设一个控制点，共均匀布设 46 个控制点，16 个检查点。3.2 三维模型成果与 EPS 三维测图成果倾斜航摄共获取 22 425 张相片，主机单机空三加密用时 13 h，三维建模阶段 6 节点集群网络处理耗时45 h。三维建模成果如图 2 所示。三维模型成果导入 EPS 转换格式后可直接裸眼在三维模型上采集权籍图，房屋层数及附属设施等属性均可内业判读，减少了大部分外业工作量。1 km2由 3 名内业人员采集、整饰 3 天基本完成，成果如图 3 所示。3.3 精度评定1）模型精度评定。为了验证三维模型建模精度，1072022年 第6期技术探讨高 钊，等.无人机倾斜摄影技术在新疆权籍调查中的应用利用测区内 16 个均匀布设的检查点作为模型绝对精度检测点，对三维模型精度进行评价，并与 46 个控制点精度进行对比。由表 2 可见，控制点平面方向和高程方向最大误差均不超过 1 cm，平面中误差为 0.004 7 m，高程中误差为 0.001 2 m，检查点平面误差和高程误差均不超过 5 cm，三维模型满足精度要求。图 2 三维模型成果Fig.2 3D model results图 3 EPS 三维测图成果Fig.3 EPS 3D mapping results表 2 空三加密精度统计表Tab.2 Statistics of encryption accuracy of aerial triangulation46 个控制点误差/m16 个检查点误差/m平面误差高程误差平面误差高程误差最大值0.009 70.004 20.030 00.040 0中误差0.004 70.001 20.020 00.020 0中位数0.003 5-0.000 10.020 00.010 02）测图成果精度评定。为验证权籍图成果精度，通过在测区均匀选取房角点、拐点、墙角点等界址点，利用全站仪多次观测取平均值的方法获得界址点最终坐标值，并与权籍图上坐标进行精度对比来检测矢量精度。外业共检测界址点 285 个，经统计结果对比得出，实测界址点相对于图上坐标平面最大误差为 0.048 m，点位中误差为0.027 m，均小于 地籍调查规程 规定误差值，满足对相邻点中误差和限差的精度要求。为了进一步验证相邻界址点间距精度，外业均匀随机挑选房屋 20 幢，丈量房屋实际边长 20 条，与图上量取长度进行比较。由表 3 可见，房屋边长最大较差为 4 cm，中误差为 2.19 cm，房屋边长（即相邻界址点间距）满足城市测量规范中相邻界址点精度要求。表 3 外业检测房屋边长精度统计表Tab.4 Statistics of side length accuracy of field inspection houses序号起止界址点号图上量测/m实测边长/m较差 F/cm1J71-J7213.4613.4242J72-J7320.3320.35-23J73-J7419.0019.01-14J74-J7520.0920.11-25J75-J7613.4213.44-26J78-J7820.0620.07-17J79-J8013.4313.44-18J80-J81 7.54 7.5049J81-J8211.4311.45-210J82-J8313.4313.44-111J82-J85 7.56 7.58-212J85-J8611.4711.45213J86-8713.4613.48-214J87-J8820.1020.12-215J88-J8418.9718.95216J74-J8918.9318.94-117J89-J9020.0820.10-218J90-J9113.4113.44-319J91-J9211.5511.52320J92-J76 7.52 7.511中误差：2.19 cm4 结 论无人机倾斜摄影技术规模化应用于权籍调查，通过精度分析验证可行性和精度可靠性。相较于传统权籍测绘方法，大大减少外业测量和入户调查的工作量，实现数据采集、编辑、入库一体化操作，极大提高作业效率。另外，在三维建模方案中通过优化软硬件设置、空三加密分块和像控点测量等方法，提高了三维建模效率和精度质量，为后续倾斜摄影技术方法改进和进一步推广应用提供了借鉴和参考。参考文献1 周晓敏，孟晓林，张雪萍，等.倾斜摄影测量的城市真三维模型构建方法J.测绘科学，2016，41（9）：159-163.（下转第113页）1132022年 第6期技术探讨空中三角测量过程中探索最佳摄站坐标权值，进一步改善 DSM 生产质量。经实验验证，载波相位双差模型能获取精准且稳定的摄站坐标，当 GNSS 摄站坐标精度设置为 0.1 m 时，空中三角测量精度最佳；在 3 种控制点配置实验方案下，得出在不引入控制点的条件下，DSM 生产精度优于 10 cm；在引入一个控制点后，DSM 生产精度与传统大量控制点布设方案精度相当。因此，本文方法在改善 DSM 生产精度的同时，可以大大降低对控制点的依赖程度，大幅度提升 DSM 生产效率。参考文献1 张晓东.可量测影像与GPS_IMU融合高精度定位定姿方法研究D.郑州：解放军信息工程大学，2013.2 BRYSON M，REID 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