无人机倾斜摄影三维实景建模在不动产测绘中的应用研究.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43 Suppl.No.1Aug.,2023无人机倾斜摄影三维实景建模在不动产测绘中的应用研究廖冲斌1.2，张怀巍，孙勇1.2，陈粲（1.四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队，成都6 10 2 13；2.四川省天府容大信息科技有限公司，成都610213)摘要：该文以岳池县坪滩镇作为试验区域，对倾斜摄影测量技术在不动产测绘中的应用进行调查研究，通过无人机获取影像数据，利用大疆智图软件生产三维实景模型，将生成的三维模型数据导入EPS软件进行矢量数据采集，从而形成不动产测绘现状地形图。利用导航定位卫星实时定位技术（GNSS-RTK）结合全站仪的实测验证地物精度，为实现不动产调查测绘提供了新的技术方案，证明了无人机倾斜摄影测量技术在不动产测绘中应用的可行性。关键词：倾斜摄影测量；三维实景建模；不动产测绘；精度评价中图分类号：P231.5DOI:10.3969/jissn.1006-0995.2023.S1.023传统不动产测绘外业测绘手段相对单一，主要采用全站仪或GNSS-RTK的实地测量的方法，辅以权籍调查从而得到不动产测绘成果（丁涛等，2 0 2 1）。随着近年无人机辅助测量兴起，在土地利用调查、地灾治理工程辅助用地形图等方面取得了广泛应用，但大都对测图精度要求相对较低，主要采用正射航摄获取数据，通过二维平面成果辅助绘制地形图（丁波，2 0 2 0；张文静等，2 0 19）。当面临1：50 0 或更高精度要求不动产测绘成果时，需要形象直观准确反映地物真实场景，特别是不动产建筑结构、立面信息等，利用无人机倾斜摄影测量建立三维实景模型就是一个较优选项，但需要进行相关验证，在优化利用无人机航摄建立的三维实景模型前提下，确保不动产特征点定位准确、几何形状正确，从而保证不动产面积精度达标。本文以岳池县坪滩镇某地为试验区，在该区域内合理布设像控点。系统地介绍了在免像控点和有像控点情况下的数据采集，外业、内业数据处理得到不同情况下的三维模型，基于三维模型采集不动产数据，并对采集数据与GNSS-RTK及全站仪实地测量数据进行精度对比，分析免像控点和有像控点对不同的航线规划下的不动产测量中的精度影响，以期为不动产测绘工作提供较优参考。文献标识码：A文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0118-05图1垂直与倾斜摄影成像方式1无人机倾斜摄影测量技术及工作流程1.1倾斜摄影测量技术基本原理倾斜摄影全称为多视角倾斜摄影相机系统（multiple obliquecamera system），可以使用单镜头搭载36 0 无人机飞行云台，或者直接使用三相目、五相目倾斜相机，从垂直、倾斜等不同角度采集数据（倪少华等，2 0 19）。垂直摄影与倾斜摄影示意如图1所示。收稿日期：2 0 2 3-0 5-19基金项目：无人机倾斜摄影三维实景建模在不动产测绘中的应用研究四川省地质局区域地质调查队资助，川地矿区调科字（2 0 2 2）0 11号作者简介：廖冲斌（197 7 一），男，四川仪陇人，本科，高级工程师，主要从事测绘地理信息和自然资源调查工作118无人机倾斜摄影三维实景建模在不动产测绘中的应用研究1.2无人机数据采集处理流程无人机数据采集处理流程主要包括外业影像获取与内业处理两大部分，影像获取包括设计航摄参数、像控点布设测量、外业航飞影像采集；内业处理主要包括影像预处理、空中三角测量、多视影像密集匹配、数字表面模型（DSM）生成、纹理映射、三维建模并制图（星锋锋，2 0 19）。具体流程如图2。2应用实例2.1外业数据采集本文以岳池县坪滩镇某一个自然村落作为试验测区，该地属于丘陵地形，试验区面积分别为0.68km。测区范围内主要地物信息为房屋建筑、道路等。本次研究选用大疆经纬M300四旋翼无人机用于影像采集，相机选择的是禅思P1单镜头相机和睿铂DG3Pros五相目倾斜相机，参数见表1、图3。由于本文项目要求测图比例尺为1：50 0，所以地面点的分辨率应5cm，参考CHZ3005-2010低空数字航空摄影规范，为保证本次任务精度，设置的航向重叠度为8 0%，旁向重叠度为7 5%，通过航高计算公式：H=xCSDa已知大疆禅思P1相机焦距为35mm，像元尺寸为4.4um，计算理论航高为397.7 m，实际航高设置为12 0 m，满足规范要求。为了提高作业流程效率并对比不同倾斜影像采集方式对成果质量与精度的影响，我们对测区同时进行了3种不同的航线规划设计，分别为利用禅思P1进行单镜头摆拍模拟五镜头数据采集方式、利用第三方航线规划软件设计环绕飞行进行倾斜数据采集、利用睿铂DG3Pros五相目倾斜相机进行数据采集。睿铂DG3Pros具体参数如下：三种航线规划设计各具特色，首先是利用五相目倾斜相机进行倾斜影像数据采集，无人机在飞行过程中会同时采集5组数据，包括正视与倾斜影像；其次得益于大疆禅思P1相机性能加持与三轴云台的硬件支撑，遥控器能够实现通过单镜头快速摆拍的方式进行五向数据的采集，在无人机行进过程中，根据无人机与测区位置依次采集所需要方向的影像；而环绕飞行航线设计有别于传统的“弓”字型航线，它通过规划测区确定好各个环绕轨迹的圆心点，环绕轨迹重叠率为50%，环绕采集数为32 张。比例尺绝对航高/m1:500120明确需求、测区勘察无人机选择与航摄像控点测量影像及POS信息获取像控点布设航摄参数设计影像数据检查与预处理空中三角测量多视影像密集匹配数字表面模型DSM生成真正射纠正3DTIN构建+TDOM纹理映射三维模型成果提交图2 不动产测绘流程图表1禅思P1相机参数镜头JIDL35mmF2.8LSASPH（带遮光罩和配重环/滤镜）,FOV影像传感器传感器尺寸（照片）：35.92 4mm（全画幅）像素平面精度：3cm，高程精度：5cm*，*G SD=3c m，飞行速绝对精度度15m/s，航向重叠率7 5%，旁向重叠率55%。机械快门：1/2 0 0 0*-1秒；电子快门：1/8 0 0 0-1秒*光圈不快门速度存储数据稳定系统云台倾角俯仰：-130 +40；横滚：-55+55；平移：32 0 表2 相关航摄参数设置焦距/mm地面分辨率/cm351.563.54500万大于f/5.6照片/GNSS原始观测值/拍照记录文件3轴（俯仰，横滚，平移）航向重叠度80%旁向重叠度75%1192023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报睿铂DG3Pros技术参数总像素1.2亿CMOS数量5pcsCMOs尺寸23.5mm15.6mm相机倾斜角度前后镜头45左右镜头50 焦距正视2 5mm，侧视43mm光间隔0.8S图3睿铂DG3Pros五相目倾斜相机技术参数品Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023图4睿铂DG3Pros航线示意图与禅思P1单镜头摆拍航线示意图NAfm749.Z3497012m69.7m2P8359.7mTo368:7W1e70387m167mNA389.7789771m2m12825m图5环绕航线示意图测区按照三种方式进行倾斜数据采集，三种采集方式效率如表3：表3相关数据采集对比测区自然村落为分析免像控点和有像控点对不同的航线规划下的不动产测量中的精度影响，项目实际均匀布设12个像控点并利用全站仪采集了6 3个检测点进行分析。2.2内业数据处理在倾斜摄影测量中，空中三角测量是串联航测外业和内业的一个至关重要的步骤，其目的是减少外业工作量，利用有重叠度的航摄像片，根据相关算法进行控制点加密，求得影像外方位元素、加密点的高程、平面位置，空三加密结果影响三维实景模型精度。空三成果与多视角影像匹配的精度息息相关，由于倾斜摄影测量数据具有多视影像所具有的点，需要通过影像密集匹配减少空中三角测量后的余数据信息，提取获得多视角影像同名点。再通过纹理映射将纹理与色彩贴在表面模型上，得到具有高分辨率的三维实景模型。内业数据处理得到三维模型后还需要对遮挡区、信息缺失等地物进行外业补测。本次研究主要利用大疆智图与ContextCapture软件进行内业建模处理。空三与建模成果示意图如图5。面积0.68km采集方式五相目倾斜摄影单镜头摆拍环绕飞行航飞用时1h57m56s1h59m39s1h53mlls照片数量17 1753.9732.272120无人机倾斜摄影三维实景建模在不动产测绘中的应用研究图6 大疆智图空三成果与三维模型示意图3精度评价将建好的测区三维实景模型（OSGB格式）与对应的坐标文件导人EPS软件中，使用EPS软件采集三维模型的地物信息。采集过程中，通过正视和倾斜两方面视角采集数据，对于独立地物例如独栋、规则的房屋可以选择提取轮廓线、多点拟合边采集房屋的宗地面信息，对于弧形、非直角等不规则地物则切换线串、样条等状态进行绘制，对于房屋附着物例如厨房、柴草棚等采用多点拟合修测地物进行绘制，对于围墙、道路等其他地物信息进行对应的绘制（图6）。图7 局部区域EPS采集不动产测绘现状数据本次试验使用的倾斜摄影影像，在免像控、有像控点的情况下构建的三维实景模型，为验证基于三维模型采集的不动产数据精度，利用外业实地检测对采集的不动产数据的同名点对比，检验不同情况下采集的不动产数据精度。根据检查点的点位误差验证免像控点和有像控点的倾斜摄影测量在不动产测量的精度情况，及大范围内不动产测量的可行性。检测数据统计如表46。表4边长精度检测统计表点点号检核19.11323.8738.655258.9072615.786测区地物边长检测中误差为0.0 2 0 m，规范允许值为0.0 50 m；根据检测结果可得质量满足1：50 0不动产测绘成图精度要求。121观测L9.1173.8758.6488.90915.776L-L-0.004-0.0050.007*-0.0020.01检核L号2728295152观测L1.5321.5328.6688.6783.8683.86515.80815.7948.6558.627AL-L0-0.010.0030.0140.0282023年8 月第43卷增刊第1期坐标检测值序号X1*467.022*460.43*478.4356*408.957*440.62坐标检测值序号Xi1*5907.0582*5912.3783*5904.51862*5876.77763*5878.485据检测数据可得，测区免像控成果平面坐标中误差为0.0 8 4m，边长中误差0.0 2 0 m；而加入像控点进行平差后，平面坐标中误差为0.0 31m，边长中误差0.0 2 0 m。据此可得，加人像控点进行平差后，地物绝对位置得到了纠正，而地物几乎没有产生形变，满足1：50 0 不动产测绘成图精度要求。4结语四川地质学报表5测区免像控平面精度检测统计表原成果坐标值YiX2*5979.4*467*5970.3*460.32*5955.4*478.44*5921.3*408.88*5943.5*440.61表6 测区加入像控平差后平面精度检测统计表原成果坐标值YiX2*243.92*5907.05*267.279*5912.402*270.913*5904.554*507.054*5876.706*505.641*5878.521Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023Y2dx*5979.40.022*5970.30.073*5955.5-0.010*5921.30.019*5943.50.009Y2dx*243.8750.008*267.339-0.024*270.877-0.036*507.275-0.049*505.672-0.036差值（m）dy-0.0920.033-0.076-0.064-0.033差值（m）dy0.045-0.040.036-0.002-0.031ds0.0950.0800.0770.0670.034ds0.0450.0470.0510.0490.048本文研究通过倾斜摄影测量对研究区域不动产进行实景三维建模，并应用EPS完成三维立体测图，对比了不同采集方式对模型质量的影响，分析了实际生产过程中的效率成本，同时结合野外GNSS-RTK与全站仪检测数据进行了精度对比验证，基本论证了利用倾斜摄影技术获取影像构建实景三维模型，在保证有效的流程设计与内外业处理的情况下能够代替传统方式，满足1：50 0 大比例尺不动产测绘调查需求；通过对比不同航线设计方式得到的成果进行质量与效率对比，发现采用环绕飞行所获取的数据量远远小于五相目倾斜摄影采集的数据量，显著降低了后期数据处理强度，也满足1：50 0 不动产测绘精度要求，为后续不动产测绘提供了一个可行的解决方案。可以预见，在无人机航测软件与硬件齐头并进高速发展的今天，更轻便、高效、高精度的无人机倾斜摄影测量，将会成为传统不动产测量的有效替代和补充。参考文献：丁涛，刘超，邓烨，等2 0 2 1大疆M300_RTK无人机在农村地籍测量中的应用J安徽科技学院学报，35(3)：2 3-2 9.丁波：2 0 2 0.消费级无人机倾斜摄影空中三角测量及三维模型精度分析D北京，北京建筑大学。张文静，尉青梅，赵帅。2 0 19.倾斜摄影测量在地籍测量中的应用研究J测绘技术装备，2 1(4)：5-10.倪少华，姜志哲，徐庆：2 0 19.秦皇岛市倾斜摄影实景三维建模实施方案及模型后期修复方法探讨J.城市勘测，（0 3)：7 8-8 2.星锋锋2 0 2 1基于无人机垂直免像控的1:50 0 比例尺地形图测绘研究J.城市勘测，（30)：15-17.122