无像控无人机倾斜摄影测量在农村地籍测量中的应用（CC+EPS）
摘 要: 为了进一步提高无人机倾斜摄影测量的效率，本文提出了无像控无人机倾斜摄影测量的方法，并将该技术应用到农村地籍测量中。陕西省宝鸡市岐山县实验结果表明: 所提出的无像控无人机倾斜摄影测量技术可以在保证农村地籍测量精度的前提下，提高无人机倾斜摄影测量在农村地籍测量中的工作效率。
关键词: 无人机倾斜摄影测量; 地籍测量; 像控; Smart 3D; EPS
引 言
农村地籍测量是指通过权属调查和地籍测量，查清宗地的权属、界址线、面积、数量、质量、用途和位置等情况，为宅基地确权登记，不动产统一登记奠定基础。传统的地籍测量是通过全野外实地测量的方法来进行的，这就需要大量的外业工作。随着测绘技术的飞速发展，倾斜摄影测量技术逐渐代替了传统的实地测量的方法。
在现行的倾斜摄影测量方法中，外业布设像控点是无人机倾斜摄影数据制作的重要环节。外业测量、布设标志都会增加大量的外业工作，而且若像控点布设不合理或者不规范，不仅需要补测像控点，也会对模型的精度产生影响。另外，外业的布设像控点与内业的刺点对作业人员的要求也很高。
针对布设像控点出现的问题，有人提出了免像控的倾斜摄影测量技术。它的关键技术在于无人机航测系统通过其内置 100 Hz 实时动态差分ＲTK技术和高精度惯性导航IMU系统，依托GNSSＲTK技术，使得无人机飞行器成为空中的GNSS流动站，能够获取高密度、高精度的航空制图像控点，这种精密定位技术使得像片位置信息实现和地面控制点同样的功能。免像控并不是采用一种技术，而是多种技术的高度集成。
然而免像控技术所要求的硬件软件设备是普通无人机所达不到的。一般的无人机由于体积小、载重轻、成本低，通常配备精度不太高的导航型GPS，也没有搭载曝光同步装置，这都会导致影像数据发生一定的偏移。基于此，本文提出了一种无像控的无人机倾斜摄影测量技术。
考虑到倾斜摄影测量建立的三维模型的相对精度(即内符合精度) 主要取决于相机拍摄影像时POS的精度和影像的重叠度，本文提出了基于无像控倾斜摄影测量的三维模型开展农村地籍测量的思想。该技术的基本思路: 在没有像控点的前提下直接对无人机倾斜摄影进行三维建模，然后在这个三维模型下进行矢量化测图，最后利用测区内外业均匀测量的 10 个左右的地物特征点坐标 将矢量化的地图进行坐标转换，最终完成地形图的测绘。更多干货敬请关注：GIS前沿本文将上述技术在农村地籍测量中进行了实验，实验证明，无像控无人机倾斜摄影测量技术在保持精度要求的同时，很大程度上提高了农村地籍测量的效率。
1.1 影像数据获取及处理
航线规划是影像获取的前提，根据测区的实际情况进行航线规划设计，设置合适的飞行高度和影像重叠度等参数，然后无人机再根据设定好的航线进行飞行得到影像数据。
将所获取的影像数据导入软件Smart3D中，设置好坐标系统等参数。数据导入之后，首先要对照片进行检查，一些有问题的照片将会直接被筛选出来。接着进行空三处理，空三处理后重建生成三维模型、三维点云和 DOM 等。
1.2 EPS三维测图
EPS三维测图软件可以直接对倾斜摄影生成的模型 ( Smart3D，PhotoScan ) 进行导入并处理，对围墙和房屋 的边角进行测量，包括对地面高程点进行提取。首先将三维模型和DOM加载到EPS中，将生成的三维模型进行数据转换，直接在三维模型上进行矢量化。在三维模型上采用五点房法或者线划法对房屋进行绘制，同时可直接录入房屋的属性信息，包括房屋结构、楼层数、高度等，利用快捷键高速操作。采用DOM作为参考，某些地物可在正射影投影( 平面) 直接进行快速绘制以及在透视投影( 立体)进行房檐的改正等。
1.3 地籍图的坐标转换及纠正
无像控的三维模型相对精度较高，但是由于无人机自带的 GPS 精度不高，导致模型以及EPS绘制出的地籍图的坐标发生了一定的偏移，并且无人机自带的 POS 数据就是 WGS84 坐标系统，而地籍成果数据坐标系统为2000坐标系统，因此，需要对地籍图的坐标进行转换及空间纠正。这就需要在外业采集一些高精度的均匀分布的界址点，通过这些高精度的界址点对EPS测绘的地籍图进行坐标转换及纠正，即可完成地籍图的测绘。
由于测区周边相片的重叠度比较低，以及相机自身硬件设备精度不是很高，导致建出的三维模型会出现少量的变形。橡皮页变换的方法常用于对矢量数据进行小型的几何校正，它是将一个图层与另外一个与之十分靠近的图层对齐，调整源图层以适应更精确的目标图层，并 且橡皮页变换可以进行局部的校正，通过精度的对比可 将几何精度较低的局部进行再次校正。因此，对地籍图的坐标转换和几何校正采用的是橡皮页变换方法进行校正。本文的目标图层即为外业采集的一些高精度的界址点，将需校正的点连接到目标图层的纠正点上来达到整体矢量数据校正的目的。
以陕西省岐山县城附近的某个自然村为试验区，对其进行无人机倾斜摄影测量，然后采用无像控无人机倾 斜摄影测量方法进行地籍图测绘。
2.1 试验区概况
试验区位于陕西省关中平原西部，地势平坦，为集团式居民地，居住较为集中。试验区东西跨度为 0.2 km，南北跨度约为 0.3 km，面积约为 0.06 km2。
2.2 航空摄影情况
无人机采用大疆精灵4，航飞高度为 80m，采用单镜头，飞行5个架次，航摄影像分辨率为0.02m，此次飞行方式采用井字形飞行方式。
航线设计: 航向重叠度为 80%，旁向重叠度为70%。本次航摄共拍摄相片1260 张，像幅大小为5472像素×3648像素，相机参数: f = 4.5mm，像素大小为 3.34。具体的航线规划方案参数见表1。
表 1 航线规划方案参数
2.3 三维建模及 EPS 立体测图
影像处理采用Smart 3D进行建模，通过导入照片数据、空三加密、三维重建最终生成三维模型，以及正射影像图。三维模型建成后，将三维模型在EPS软件中进行数据转换，生成格式为* .dsm的模型数据，如图1所示。然后直接在三维模型上进行地籍图数据的采集，通过五点房或者线划法采集房屋，在三维模型下采集可避免房檐的改正，提高了工作效率和测图的精度。外业人员根据内业立体测图的成果进行外业的调绘及检查，完成地籍图的EPS立体测图。
图1 Smart 3D 生产的实景三维模型
2.4 地籍图精度
本次试验采用无像控无人机倾斜摄影测量技术，EPS生成的地籍图为WGS84坐标系统，利用外业采集的 15个高精度界址点及几个房角点，将EPS测图成果经过坐标转换及空间校正得到2000坐标系下的地籍成果，如图2所示。为了验证无像控无人机倾斜摄影测量技术的精度，在试验区里均匀测量了7个房角点坐标用来检查校正的精度，由于 f1 在空间纠正的范围之外，所以 f1 点不参与精度评定。在上述试验测绘的地籍图中采集了相同位置的界址点坐标进行验证。检查点 f2—f7 的点位误差统计结果见表2。实验证明，经校正后成果图的整体平面精度为 0.089 m，根据地籍测量规范可以得出上述实验结果满足地籍界址点二级精度要求。
图2 EPS 三维测图地籍图
表2 无像控检查点点位误差及点位中误差
总的来说，这个精度是比较低的，主要原因是倾斜摄影用的无人机及相机等硬件设备质量不高，即pos精度不够高所致。
无像控无人机倾斜摄影测量技术不仅节省了硬件设备，而且避免了像控测量带来的各种工作和不便，应用于农村地籍测量后，在保证精度的前提下进一步减少了内外业的工作量，适合大众化无人机在农村房地测量中的广泛应用，对当前广泛开展的农村房地测量具有重要的推动作用。
不足之处在于无像控技术只在小范围地势比较平坦的农村地籍测量中进行了试验验证，还有待于在大区域的地籍测绘和大比例尺地形测绘中进行试验探索和验证。
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