無人機傾斜測量技術在不動產測繪中的應用＊

趙彬

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質礦產調查院，河南 洛陽471000)

1 引言

不動產測繪調查工作需要對一定范圍內的全部房產狀況進行調查，表明不動產的實際狀況、位置、大小以及用途等信息。在傳統的不動產測繪工作中，主要是人為上門調查的方式完成測繪任務，該方法效率低下，所獲取的數據只能從二維角度分析，并且由于地形地勢的復雜，容易造成不動產數據缺失等問題。近些年來無人機傾斜攝影技術應用在各項三維空間數據獲取工作中，具有明顯的使用效果，大程度提升作業困難，還可以將測繪數據以數據云點的形式體現出來[1]。

國內外不斷地開發無人機傾斜攝影技術在不動產測繪工作中的應用，目前國外采用無人機傾斜攝影技術應用到了軍事測量、農業測量等方面，國內則多應用于工程測量、建筑竣工測量、礦山測量，并獲得了顯著的成果。研究初始階段，利用無人機傾斜攝影特點與MAX技術相結合，構建城市三維空間模型，加速了對三維空間地籍數據的獲取進程。

本文主要研究無人機傾斜攝影技術在不動產測繪過程中應用方法，總結無人機傾斜攝影的不動產數據獲取特點，借助相應的數據分析模型，從多角度快速采集目標，滿足不動產測繪的工作需求[2]。

2 無人機傾斜攝影測量技術概述

無人機傾斜攝影技術是將傾斜攝影測量技術搭建在無人機上，在無人機表面裝置數據感應器與多種傾斜角度的攝像設備，不同角度的攝像設備可以通過角度變化而將數據組合，具有高速數據獲取、航向參數精確等特點。無人機可以在POS 系統中建立關聯數據信道，在三維空間中實時記錄無人機飛行狀態以及感應設備的數據記錄狀態，通過對攝影設備的合理調控，保證信息的真實性，保證不動產測繪工作中的數據充分。無人機傾斜攝影技術還可以應用多視影像聯合平差攝影技術擬合垂直方向與傾斜方向的采集數據，減少三維空間中的幾何變形。以POS系統作為無人機傾斜攝影數據監測的基礎平臺，可以從多角度采集外部方位元素，隨意安排在自由網中，對控制點的坐標需要建立平方差方程，為不動產測繪數據聯合的精準度做準備。在高密度的數據獲取區域，無人機在空中建立能夠分割影像的視覺處理體系，將傾斜攝影中的擬合圖像進行分割與紋理聚類，計算出不動產數據的密集匹配結果，使不動產數據采集具有輻射性，保證無人機傾斜攝影技術在光感平衡環境中運行[3]。

無人機傾斜攝影的優勢在于能夠為不動產測繪提供更豐富的數據條件，保障不動產測繪工作的數據真實性，同時還能顯著提升不動產測繪工作效率。傳統的不動產測繪技術主要反映不動產的二維數據，在測繪過程中不能客觀反映不動產準確信息。無人機傾斜攝影技術可以遠距離監測不動產位置并實時將采集數據進行反饋，幫助三維空間模型的建立。無人機傾斜攝影技術還可以從地理特征進行不動產數據的仿真處理，數據未傳遞前便將測繪輪廓真實模擬出來，控制不動產測繪誤差范圍。將無人機作為不動產測繪工作控制平臺，植入采集數據的獲取流程，可以減少不動產測繪工作人員的精力投入，節約測繪成本。在三維空間模型中完全可以取代人工計算手段，降低不動產測繪時間成本[4]。

常規下應用在傾斜攝影技術中的無人機五個傾斜攝影角度均具有智能化、數據化分析，以數據的快速傳遞作為技術支撐。傾斜攝影所應用的關鍵技術也建立在數據快速傳遞基礎上，規劃高質量拍攝航道，對五個攝影角度的地理參數進行分析，設計航高、攝影參數以及航線規劃等技術內容，如圖1所示為無人機傾斜攝影技術中的五個攝影范圍。

圖1中不同攝影范圍的影像需要完成空間匹配，充分利用分辨率與攝影角度在數據融合時的誤差，羽化圖像結合邊緣，并在圖像邊緣建立地點坐標，獲取坐標周邊三維信息，再利用傾斜攝影的多元、高精度特點，精細化圖像匹配邊緣[5]。

3 不動產測繪模型構建

3.1 模型處理流程

建立無人機傾斜攝影測量技術在不動產測繪中的模型，此模型內部可以合理處理無人機的拍攝地點與拍攝內容之間的距離關系。無人機傾斜攝影技術所獲取的數據也可以在三維模型中進行地物信息表達，模型對地物信息的處理步驟為：

(1) 對影像數據預處理。影像數據能夠直觀表達出不動產數據的真實性，對影像數據進行處理可以豐富模型中的地理信息基礎，處理后的影像數據距離地面大約300 m以內，不動產分標率為2 m，不同角度的重復影像可以重疊處理，但是需要進行影像羽化；

(2) 自動空三加密。根據無人機傾斜攝影數據獲取的角度不同，對立體不動產測繪數據加密，并使用算法加密不動產在平面坐標系中的坐標與高度信息[6]；

(3) 對密集的坐標點實現匹配。不動產數據在無人機傾斜攝影下的統計具有密集性，需要經過模型程序化處理才能合理體現，在多種類數據基礎上，尋找不動產特征，將特征數據融入三維模型中[7]。圖2為模型數據處理流程圖。

3.2 測控點數據采集與檢查

無人機傾斜攝影技術實施前，需要充分做好無人機的飛行保障工作，工作內容有：規劃不動產測繪區域內的航程路徑、掌握數據采集時間段內的天氣狀態、收集原有的不動產數據信息、尋找傾斜攝影的數據控制點監測裝置等。本文研究的無人機類型為六旋翼無人機，這種無人機具有集成度高、智能化水平高和操作方便等特點，如圖3所示為六旋翼無人機實物圖[8]：

無人機傾斜攝影的航向是不動產測繪數據采集的重點內容，無人機具有一定的智能化水平，所以在飛行航向方面只需要選擇合理的地面分辨率、傾斜攝影面積標準，即可獲取較為精準的不動產測繪數據。無人機飛行高度影響著采集數據的分辨率，無人機飛行過程中結合不動產綜合特征，實現攝影焦距的設置，并不定時檢測采集數據質量，確保數據采集分辨率可以應用在測繪地圖中，表1為不同飛行高度的數據分辨率。

表1 不同飛行高度的采集數據分辨率

兩參數之間的計算方法為：

式中：H代表無人機飛行高度，f 代表傾斜攝影設備的焦距，GSD代表分辨率，b代表在數據模型中的像素大小。

根據公式中的關系可知，分辨率隨著攝影高度增加而減小[9]。不動產數據采集時相鄰影像具有一定的重疊性，沿著無人機航向的三維空間模型表現較為明顯，圖像內的色調偏差較大，與實際的飛行路徑形成一定規模誤差，如下所示為數據采集過程中出現的重疊度計算方式：

式中：α代表航向重疊度，β代表旁向重疊度，l代表重疊距離，lx代表航向飛行距離，ly代表旁向飛行距離。

參考《低空數字航空攝影測量外業規范》內容設計一定環境下的無人機攝影面積與總航程，設計條件不超過不動產傳統測繪像幅的50%。無人機傾斜攝影技術對數據的采集還可以通過數據向控點的布設實現獲取，因此在進行數據采集的過程中對相控點的位置布置要具有嚴格的標準[10]。為了滿足低空數字航空攝影測量規范的要求，需要在不動產覆蓋范圍內均勻立體分布，與無人機傾斜攝影航線在相同的區域內。圖4為像控點示意圖。

采集后的不動產數據由于受到天氣與地理環境等因素的影響，不能直接用于不動產測繪工作中，無人機將數據傳輸到數據中心后可應用POS系統進行不動產位置質量檢查與無人機飛行平臺的安全性檢查。上傳的圖像數據檢查其色彩飽和度、模糊度、像素和反光點等是否符合測繪標準，還要確定無人機的數據采集位置，是否存在角度偏轉等現象，按照《低空數字航空攝影規范》內容進行審核[11]。像控點精度決定不動產測繪質量，傾斜攝影生成的三維模型中也依靠高精度的像控點輸出三維空間圖像，對像控點精度的測控需要利用GPS-RTK實現，對像控點的布置體系和數據內容均能識別，將相同時間段的像控點數據進行對比，計算數據最大誤差與最小誤差，設定不動產測繪工作中的精度要求[12]?？杖鹊脑u定也是無人機傾斜攝影數據采集后的重要操作內容，需要對空三數據進行聯合平差處理，得到與實際不動產之間的坐標值，計算平均誤差，如下所示為誤差計算方法：

式中：△m代表三空平均誤差，△x2代表不動產三維空間水平方向誤差，△y2代表不動產三維空間豎直方向誤差。

最終傳輸至三維空間模型中的數據，主要采用Smart3D軟件進行優化，處理圖像數據中的光線與鏡頭，并在三維模型中模擬不動產測繪內容，構建完整的三維不動產體系，將模型中的不動產細節體現出來，滿足實際測繪需求[13]。首先判定圖像數據內容是否含有不動產測繪要素，其次在圖像數據邊緣記錄平面坐標與界線邊長，評定測繪數據的使用精度，最后選取局部圖像數據進行測繪實現，在基礎的不動產測繪過程中進行圖像疊加，增加數字成果，尤其是針對外部遮擋面積較大的不動產，對達不到擬合程度的圖像數據要重新篩選或完善。圖5為遮擋面積較大的不動產測繪圖像數據。

4 基于無人機傾斜攝影技術的不動產地圖測繪

經過處理后的無人機傾斜攝影采集數據，可以直接應用在不動產的地圖測繪工作中，但是在應用的過程中需要對不同結構的數據進行分類與進一步處理，從三維空間模型中完成初步階段的不動產空間模擬后，方可實現不動產地圖的完整測繪。首先利用Smart3D軟件建立不動產數據的呈現模型，檢驗圖像數據是否完整，在不動產數據坐標已知的情況下進行像控點的控制，確保像控點在測繪階段中的誤差小于一個像元。然后將三維模型軟件中的數據保存在測繪工作人員操作平臺中，并錄入不動產地籍權屬相關數據。最后利用個別不完善的數據填補地形要素，結合PTK技術進行補充采集[14]。

根據《地籍調查規程》中內容，不動產測繪比例尺一般為1：500，測繪采用的數據精度為3級，允許測繪產生的最大誤差在10 cm左右。同時還要求不同測繪點與測繪點之間距離相同，從二維空間能夠分析出測繪點的分量殘差與中誤差[15]。

5 實例研究

本文研究無人機傾斜攝影技術在不動產測繪中的實際應用過程中，主要從無人機傾斜攝影數據采集、數據處理和不動產地圖測繪三方面入手。使用大疆M600PRO型號六旋翼無人機作為傾斜攝影載體，像素為1 240 萬，攝像設備內部采用GPS/GLONASS 雙模式運行，表2為傾斜攝影設備參數。

表2 傾斜攝影設備參數

進行不動產數據采集的地區是某市的10 個村落，共占地面積為12 km2，宗地共有1500多宗。由于村中很多不動產無人居住，導致傳統方法下的不動產數據采集方式不能全方面實現，因此采用無人機傾斜攝影技術代替傳統方法完成不動產測繪工作。在光線均勻、天氣穩定的環境下進行無人機傾斜攝影作業，在數據獲取的同時保證數據能夠進入三維空間模型中，且保證不動產數據的有效性。構建的三維空間模型可以對不同質量圖像數據完善質量，且選取相同時間段內的圖像數據進行對比，篩選光線條件與攝影面積最佳的數據，圖6為傾斜攝影同一時間段的五個攝影設備采集的圖像。

5組圖像在三維空間模型中的精準值如表3所示。根據表3中的圖像數據對比結果可知，數據最大誤差為0．52m，最小誤差為-0．01m，對產生誤差的不動產進行實地丈量，排除無人機傾斜攝影測量數據殘差大于0．5m 的圖像，保證不動產測繪數據分辨率始終處于0．5m以內。實例應用過程中還在相同的區域進行傳統手段的不動產測繪工作，對比兩種方法的數據采集時間與測繪時間，在無人機傾斜攝影技術下的模型中體現出數據獲取基站共有5 個，完成10 個村落的全部不動產地圖測繪所用時間為12個小時。傳統方法下完成10個村落的不動產地圖測繪所用時間為10天。從整體的時間效率來看，無人機傾斜攝影技術比傳統方法高出二十倍。再選取100 宗精度規范的土地進行測繪精度的對比，隨機抽取150個界址點與60個界址線，觀察不動產邊的測繪數據誤差是否超過0．5 m，還在不動產房屋的周邊裝置放射棱鏡，規范測繪數據的差值。在最后的三維模型構建中，體現出的繪制地圖不能發現未知錯誤與幾何空間的形變。由此可知，無人機傾斜攝影測量技術下的不動產測繪達到0．5 m以內的誤差精準度，增加了非接觸測量精準度，從而減少了人力資源與技術難度。

表3 圖像數據精度對比

6 結束語

本文以無人機傾斜攝影技術在不動產測繪工作中的應用作為研究對象，系統性地研究了無人機傾斜攝影在不動產測繪中應用的技術特點與技術成果，形成一套較為完整的不動產數據采集處理體系，驗證了無人機傾斜攝影技術能夠提升傳統方法下的不動產測繪工作水平。無人機傾斜攝影在數據采集方面有著更高的精準度，可以達到宗地面積、界址點、界址線的測繪精度誤差在0．5 m以內；在數據處理方面，無人機傾斜攝影技術采集的數據直接進入三維空間模型中，將三維點云中的數據模型反復利用與對比，為三維模型的建立提供穩定環境；在測繪效率方面，無人機傾斜攝影實現了非接觸測繪，作業時間與作業成本均大為降低。

雖然無人機傾斜攝影技術應用在不動產測繪工作中可以大幅度提升工作效率，但是無人機傾斜攝影的數據采集只能滿足1：500比例尺的不動產地圖測繪，這種情況限制了不動產的精細化制圖，且無人機傾斜攝影技術受到環境因素的限制，對于應用環境要求較為嚴格。無人機傾斜攝影中的攝像設備之間的角度關系較為復雜，無法實現影像重疊等高難度的三維模型塑造。