倾斜摄影测量在房地一体确权登记工作中的应用
刘丽娜 黄 威
(广东省国土资源测绘院, 广东 广州 510663)
摘要：在房产、地籍等项目中,传统测绘技术存在工期长、效率低、人工成本高、实地测绘易受阻等问题。本文主要研究无人机倾斜摄影测量技术在房地一体工作中的应用效果,通过采集高分辨率五视影像,制作高精度实景三维模型与工作底图,验证整体作业流程的可行性,通过对成果精度和生产效率的综合评定,得出结论:基于倾斜摄影测量技术的房地一体确权登记工作效率大幅提升,缩短约2/3的工期,且精度符合工作需求。
0 引言
随着测绘地理信息装备与技术的发展,无人机设备在各行各业得到了广泛应用,如测绘地理信息、农药喷洒、智能监管等方面。测绘地理信息主要利用其作为稳定、智能、自动的航摄平台,搭载高清正视或五视镜头,采集并制作高精度地理信息产品,如数字正射影像图、数字高程模型、实景三维模型等。随着研究的深入,学者们探讨无人机摄影测量技术在各行各业的应用。张祖勋等[1]阐述了工业摄影测量技术概念、对新型摄影测量技术在算法改进、工艺流程等方面提出了新思路;柏君等[2]通过无人机摄影测量技术采集垃圾填埋厂年周期内高清影像,建立多期体积储量模型,验证了该技术在垃圾库容分析中具有良好的应用。孙杰[3]等探究了基础测绘应用方面,通过像控点布设距离的优化,制作高精度底图,验证了无人机倾斜摄影测量技术能够实现基础地形图测绘工作,满足行业规范要求。近年来,各地房地一体项目陆续开展,需完成农村房屋权籍调查、权籍信息叠加整合、新增房屋宅基地的农村权籍调查、资料整理(图、表、册、档)、纸质资料数字化等工作;建立符合不动产登记要求的数据库。此类项目确权登记工作量大,任务紧,牵涉到基层和群众面广,若采用传统的测绘技术,需要大量的实地测量工作,工作进度难以保证,且耗费大量的人力、财力、物力,倾斜摄影技术的发展使得越来越多的实地测量工作由外业逐步向内业转变[4-8]。在国内,已有较多利用倾斜摄影技术开展房地一体工作的尝试,但此类项目精度要求较高,基于常规模式的倾斜模型采集的矢量数据精度并不可靠;且针对房屋密集的区域无法较好地还原建筑物的轮廓。本文研究通过无人机搭载五拼镜头相机获取任务区超高分辨率、大重叠度的倾斜影像,并制作高精度实景三维模型,快速获取房屋及土地全方位的地理信息,验证该技术在房地一体项目中的可行性、适用性及实用性[9-12]。
1 关键技术
1.1 倾斜摄影测量技术
无人机倾斜摄影测量技术通过飞行器搭载多拼相机,常用为5拼相机,包含正视、左视、右视、前视、后视5个作业镜头,采用超低空飞行的方式以加大倾斜影像的地面分辨率,提升建模精度及模型细节表现;同时在航线敷设过程中,大幅增加航线密度和曝光点密度,提升影像重叠度,可更全面地获取建筑物各方位的纹理信息,有助于提高模型细节的完整性。同时,航摄实施前在地面布设密集的像片控制点标靶并实测靶心三维坐标;然后利用多视角影像匹配技术生成密集连接点,通过区域网平差解算出各视影像的外方位元素,采用实景三维建模软件重建高质量实景三维模型[13-16]。
1.2 基于实景三维模型的矢量采集
实景三维模型的矢量采集,实际上是对模型轮廓的矢量绘制,利用矢量采集软件EPS对房屋、道路、围墙等地物进行矢量采集,采用点线相交的方式对房屋进行矢量绘制,并对地物关键点进行矢量提取,最后对采集的矢量进行编辑与整饰形成房地一体成果。倾斜摄影在房地一体确权登记工作中的具体工作流程如图1所示。
图1 无人机倾斜摄影测量技术工作流程
2 实验流程
2.1 实验区概况
本文选择实验区为北方某一村庄,地处华北区域,地势平坦,海拔高度约33 m,符合航飞条件要求。实验区面积约0.25 km2,每宗地约200 m2,房屋坐落密集,规则不一,地物种类丰富,包含砖瓦房、楼房、村集体塔式楼房等多种样式建筑,约500户。
2.2 倾斜影像数据获取
采用中海达iFLY D1 pro无人机搭载倾斜摄影模块Q5 mini,集成一个垂直和四个倾斜相机,有效像素为1.2亿像素(2 400×5),垂直相机镜头焦距为25 mm,倾斜相机镜头焦距为35 mm。综合考虑作业效率与成果精度,航向重叠度设为置80%,旁向重叠度为80%。设计地面分辨率为1.5 cm。设计航高时,根据倾斜相机的性能按式(1)计算。式中,H为航摄高度;f为镜头焦距;α为成像单元;G为地面分辨率。
经过计算航高设计为96 m,航线外扩后飞行面积约0.39 km2,任务航时约50 min,航摄速度为8 m/s。航线规划界面如图2所示。
图2 航线规划示意图
在原始图像的预处理过程中,主要是对原始图像的色彩、亮度、对比度进行调色和均匀处理,使影像清晰、明亮、均匀,对比度适中,层次分明,保持地面物体的颜色不失真。避免均匀性处理后的照片有云彩、烟雾、污渍、大面积反射等缺陷。
2.3 像片控制测量
像控点的布置符合控制网的要求及三角网的布置方法,每间隔约120 m进行均匀布设,像控点实地选点要考虑到侧视相机是否会被遮挡。坡度较大的地物、阴影、高程变化较大的坡度,以及航拍后可能发生变化的坡度,不应作为选择目标。像控点示意图如图3所示。
2.4 三维模型制作
将相机参数、影像数据、POS数据导入到ContextCapture Center软件,进行多视角影像特征点密集匹配,并以此进行区域网的自由网多视影像约束平差解算,建立在空间上相对位置关系准确的区域网模型,完成相对定向;将外业测定的像片控制点成果,在内业环境中进行转刺,利用这些控制点对已有区域网模型进行约束平差解算,将区域网纳入精确的地面坐标系统中,完成绝对定向。经过空中三角测量得到每张像片的精确外方位元素,设置相关参数后进行自动化建模处理,依次完成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、纹理自动映射,最终形成真实的三维模型。
(a)工作区整体模型
(b)建筑物细节1
(c)建筑物细节2
2.5 房地一体
从垂直、倾斜等不同角度采集影像,形成倾斜模型后,利用EPS倾斜摄影测图系统基于实景三维模型数据进行矢量数据采集。测房时采用“五点房”“捕捉房角点”“立体白模”“墙面正交”等模式,不同的房屋结构采用不同的采集方式。经实验,成图精度受内业数据处理影响比重过大,两次判读亦有可能采集点位不同,三维模型放大时均有虚化现象,判断捕捉房角点尤为重要。且农村房屋拐角墙面看似为直角,实则有偏差,此时采用“五点房”“墙面正交”的方式,均使误差变大,可采用房角点采集模式,并测图后编辑进行墙角改正。为充分验证内业测图的精度,将前期外业采集的部分房角点展入测图系统,从三维场景中观察,绝大部分的外业坐标都在实景模型的角上。利用三维模型对房屋的特征轮廓和点状地物进行矢量制图,包括高程点的提取、操作过程中地物要素国标的实时编码、所有要素的矢量制图。利用南方iData数据工厂软件提取地形和物体的矢量,保证测量的精度。利用斜角成像观察屋檐下情况,校正屋檐,解决了传统航测中屋檐看不清,需要外业协助的问题。该测量方法可以大大提高制图效率,避免居民的干扰。
3 精度评定与效率分析
3.1 精度评定
将成果与野外采用南方NTS-341R10A全站仪实测检核点数据进行精度对比,主要检测房角点位坐标平面误差与房屋边长误差。点位误差与边长检核成果如表1～表2所示,边长中误差为4.40 cm。
表1 房角点平面误差精度评定表 单位:cm
表2 房屋边长误差精度评定表 单位:m
根据表1与表2精度评度表分析可得:房角点平面误差与房屋边长误差均在5 cm以内,符合《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)要求,满足房地一体项目测量精度。3.2 效率分析
根据无人机倾斜摄影测量成图效率与传统测绘技术对比如表3所示。表3 无人机倾斜摄影测量技术与传统测绘技术效率对比
综合表3分析,传统的测绘技术都是依靠测量员全野外测量,经过整理计算后才能获得数据和相关图件。房地一体工程时间紧、任务重,从测量、绘图、计算、设计到工作面交接等,都耗费了较长时间,无法有效推进确权工作,使得项目进展较慢,效率低下。利用无人机倾斜摄影测量技术能够快速采集图像数据,实现三维全自动建模。试验结果表明:利用倾斜摄影测量技术,中小城市的人工建模工作较传统测量缩短约2/3的工期,且人员投入也相对较少。
4 结束语
本文研究无人机倾斜摄影测量技术在房地一体项目上应用,经过实验,得出以下结论:(1)房角点平面中误差4.32 cm,边长中误差4.40 cm,点位中误差满足成图标准,无人机倾斜摄影测量技术在房地一体项目中是可行的、适用的。(2)与传统测量方法相比,无人机倾斜摄影测量技术具有提高作业效率、降低项目成本、降低劳动强度等优势。(3)无人机倾斜摄影测量技术丰富了成果产品,既能生产出实景三维模型,又能制作房产平面图。综上,无人机倾斜摄影测量技术在房地一体项目具有很大的优势,但是在密集区域且航摄遮挡时,无法获取遮挡部位数据,需野外调绘补测数据。下一步将探究融合车载或地面拍照的方式,获取隐蔽区地物,减少外业工作量,提升工作效率。
