红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图1)

红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图2)

摘要:通过探索无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体中的应用,利用传统测量技术手段检验无人机倾斜摄影测量的精度,验证无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体中应用的可行性。

红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图3)

红鹏公司实力展示:

关键词:倾斜摄影测量;农村房地一体;中误差


引言

2019 年**一号文件要求,加快推进宅基地使用权确权登记颁证工作,力争 2020 年基本完成。根据云南省农村不动产确权登记发证工作方案的要求,对农村宅基地和集体建设用地使用权以及房屋所有权开展统一确权登记工作,要求 2020年底以前完成全省 90% 的农村房地一体不动产确权登记发证作。云南省农村房地一体工作体量大、时间紧、任务重,大部分村庄分布零散、交通不便,依靠传统的测量技术手段难以在短时间内完成此项工作任务。因此,如何能够快速完成工作任务,并提高农村房地一体确权登记工作的准确性和高效性成为当前测绘行业迫切需要探索的技术路线和方法。农村房地一体确权登记工作最消耗时间的技术环节为野外基础数据采集。

1、 红鹏是目前国内唯一专门从事测绘倾斜相机研发单位,其他所有单位都是在做倾斜相机的同时,也从事其他测绘产品研发。红鹏倾斜相机的研发团队也是国内外时间最早、成果最丰富的团队,目前倾斜相机已经累计更新到第三代倾斜相机。

2、 红鹏研发目前累计已经获得倾斜相机的81项目专利(其中发明专利11项),正在受理专利超过70项,倾斜摄影领域申报专利量位居世界首位!并在倾斜摄影理论上获得重大突破,红鹏金牛地籍相机就是完全不同于传统倾斜相机的新一代产品。

常规的测量手段,主要采用 GNSS-RTK 和全站仪相结合全野外数据采集模式,这种模式可适应任何地形环境条件和任意比例尺地籍、房产图测绘,实现全天侯、无障碍、快速、高精度的内外业一体化数据采集;但由于需要大量的户外测量作业,工作任务重、周期长及成本高,在村庄分布较零散的地区不具有任何优势。随着科学技术的发展,近年来,无人机三维倾斜摄影测量技术日益进步,让快速、高效采集野外数据成为可能。因此,本文探索无人机三维倾斜摄影测量技术在农村房地一体工作中的应用,并利用传统测量技术手段检验其精度,最后对三维倾斜摄影测量精度进行评定,验证无人机三维倾斜摄影测量技术在农村房地一体工作中应用的可行性、准确性和高效性。

3、 红鹏金牛地籍相机是目前唯一经**测量质量检验检测中心实地检测,证明成果满足**地籍测量规范平面中误差要求的产品,其他所有单位的倾斜相机均未获得此项验证。

01无人机倾斜摄影测量

1.1 无人机倾斜摄影测量原理

无人机倾斜摄影测量技术是摄影测量领域正蓬勃发展的一项新技术,其原理为在一台飞行器上搭载传感器,从垂直、前、后、左、右五个不同的方向采集地表目标影像;在航摄拍时,同时记录下拍摄瞬间的航速,航高,航向,旁向及航向重叠度,坐标等信息。然后利用三维建模软件,基于影像的三维建模技术,将航片进行三维重建,生产出具有可量测性的实景三维模型;再利用三维采集软件,直接在实景三维模型上测量、采集所需的数据。

1.2 无人机倾斜摄影测量的技术特点

4、 红鹏是国内第一代轻型倾斜相机的首创者,早在2011年研发出国内第一台重量少于20公斤的倾斜相机,并于2013年研发出2公斤级别的倾斜相机,并首次完成基于多旋翼无人机的倾斜摄影。红鹏还是国内首家引进Smart3D自动建模软件的企业,是全国倾斜摄影联盟的发起者和秘书长单位,是国内最早倾斜摄影大规模生产的测绘单位,也是首次成功将倾斜摄影技术应用于地籍测量等大比例尺测绘的单位,为替代人工全野外测图做出贡献。

无人机倾斜摄影测量技术是一项无接触测量技术,它同时具备了遥感、正摄、三维建模等测量技术手段的优点。因此,无人机倾斜摄影测量技术主要的技术特点包含:

1)反映地物的真实性,并具有可量测性;

5、**机关及国营单位用户:**测绘局测绘经济技术研究所;**南极科考测绘中心;**地质环境勘察院;**海监局北海分局;**地震局台网中心;****武装警察部队司令部;公安部消防局;环境保护部卫星环境应用中心;水利部黄河水利委员会;山东省国土测绘院;辽宁省地理信息院;广东省国土测绘院;内蒙古地图院;福建省国土测绘院;新疆地震局、内蒙古地震局、河南黄河水文勘测设计院;黄委水文勘测局;机械工业第六设计研究院有限公司;中铁七局海外公司;**建筑第七工程局;中石油管道局管道研究院;广州市测绘院;河南濮阳规划设计院;广西贺州市国土资源勘查测绘院、四川资阳规划局等。
红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图4)

2)基于无人机平台,采集数据具有高效性;

      红鹏小金牛倾斜相机AP3400R是一款三相机协同旋转拍摄的数据获取设备,一个曝光周期可获取近3亿像素影像,且飞行及建模效率与传统五镜头方案相比均有成倍提升,特别适用于地籍测量等高精度三维地理数据获取任务。

3)能同时输出 DSM、DOM、DLG 等数字产品,具有很高的性价比。

无人机倾斜摄影测量技术融合了多项测量技术优点的同时,也继承了多项测量技术误差来源。无人机倾斜摄影测量精度主要受以下几个方面因素的影响:

产品参数:

外形尺寸:322mm X 247mm X 193mm

1)飞行的气候条件影响;

2)成像质量的影响;

3)多视化影像联合平差精度的影响;

4)像控精度的影响;

重量(不含电池):1.6kg

传感器尺寸:23.5 x 15.6mm

内置相机总像素:约2.9亿

5)数据采集人工差异化的影响。

像元物理尺寸:3.92μm

最短曝光间隔:6s

根据测量平差原理及误差传播定律,无人机倾斜摄影测量

质量控制主要环节应在像控、多视影像联合平差和数据采集阶

镜头焦距:35mm

段采取有效的质量控制手段。

02试验分析

2.1 试验区概况

本文选择宁洱哈尼族彝族自治县宁洱镇民政村博爱新村村民小组作为试点,检验无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体中的应用的可行性。宁洱镇为宁洱县的县城关所在地,涉及的农村房地一体工作更复杂,选择宁洱镇为试点更具有代表性。

宁洱镇民政村博爱新村村民小组共 150 户,农村集体土地使用权测量完成 120 户。该村民小组房屋类型齐全,既有规整的砖混房屋,也有设施老旧比较传统、房屋拐点较多界址边不规整的宗地。

2.2 技术路线

应用无人机倾斜摄影测量技术获取实景三维模型,对现有的农村宅基地和集体建设用地使用权调查成果进行审查。对权属界线没有变化的农村宅基地和集体建设用地使用权沿用之前的测绘成果,土地使用权不再重新测绘和调查,房屋所有权和房产面积利用 EPS 三维采集软件基于实景三维模型完成房产测量工作;对变化的和新增的要按《不动产权籍调查规程》的要求,基于无人机倾斜摄影测量技术完成房地一体的权籍调查工作和房产测量工作。

2.3 实施方案

2.3.1 航摄设备

曝光方式:定时、定点曝光

本次试验采用大疆 PHANTON 4 RTK 作为飞行平台,PHANTON 4 RTK 是一款具备高精度测绘功能的航拍飞行器,机身装载 D-RTK,可提供厘米级高精度准确定位,实现更为精准的测绘作业;搭载 DJI FC6310OR 单镜头倾斜相机,有效像素 2000 万(总像素 2048 万)。

2.3.2 像控测量

存储器总容量:192GB

像控点的密度和平面位置精度直接影响基于三维倾斜摄影生产的农村房地一体成果资料的平面位置精度。因此,应根据村庄的形状、大小以及村庄道路分布情况,布设点位均匀、适中的像控点。像控点采集利用 GNSS-RTK 采集,为最大程度的减小误差,像控点采集流程按一级 GNSS 控制点精度采集要求执行。本试验区共布设了 9 个像控点,像控点均距不宜大于两倍相对航高,平均间距为 150 m。

最高影像分辨率:优于0.8cm

供电方式:统一供电和专用电池供电
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2.3.3 航摄实施

产品特点:

● 高效率数据获取

由于搭载的相机是单镜头,要想完成 5 个方向的拍摄有两种方法。第一种方法是平行飞行,将镜头倾斜 4 次垂直 1 次,分别从垂直、前、后、左、右五个不同的方向获取地表目标影像,这种方法的缺点是外业拍摄使用时间长,作业效率不高。

● 低片量数据处理

第二种方法是将镜头固定倾斜一个角度并加大重叠度井字形飞行,首先平行飞行一个来回获取前后两个方向目标影像,再从垂直方向飞行一个来回获取左右两个方向的目标影像;最后再飞一组正射影像,等效实现三维倾斜摄影,完成 5 个不同的方向采集地表目标影像。

● 超轻型产品设计

● 可多平台适配

● 独特产品美学
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本试验区采用第二种航摄方法,由于测区无高层建筑、高大乔木林和竹林等,相对航高设置为 80 m;相机倾斜角度设置为 30°(云台角度 -60°),焦距 8.8 mm/24 mm(35 mm 格式等效 )。航线布设,如图 1 所示。

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图1 航线布设图

2.3.4 三维建模

利 用 Context Capture 软 件 来 完 成 三 维 模 型 的 建 立数码相机参数,Context Capture 软件可将从不同视点拍摄的静态物体的一组数字影像作为输入,并将相机属性(焦距、传感器尺寸、主点、镜头畸变)、影像位置 (GPS)、影像角元素 (INS)、控制点将航空像片、相机参数、控制点等导入,经过软件自动化处理,输出可量测的实景三维模型。

三维建模的流程,如图 2 所示。三维模型效果图,如图 3 所示。

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图2 三维模型建立流程图

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图3 三维模型效果图

将不同方向航摄的照片导入软件自动处理,在三维建模时应注意像控点转刺精度和空三精度的检查。内业转刺控制点时,每个控制点至少找到 9 ~ 12 张较清晰的照片同名像点来进行多视影像联合平差;每刺一个点,影像放大倍数尽量保持一致,保证每个同名像点都刺在同一个位置。空中三角测量是自动完成的,空三精度的检查通过模型的清晰度和位置精度两项来检查,清晰度通过肉眼来判断是否存在严重拉花、空洞等现象来识别;位置精度通过外业测量比较明显的拐点或房角点坐标来检验。外业采集相控点时任意采集比较明显的 5 个房角点坐标,经过坐标比对,均在规范要求的限差范围内。

2.3.5 内业数据采集

基于 EPS 三维测图平台在三维实景模型上直接采集房屋角点、围墙、楼梯、门墩、道路等地形和房产要素。在数据采集前先将 Context Capture 软件生产的 OSGB 格式数据转换为EPS 三维测图软件能识别的 DSM 格式数据。数据采集前,先套合已有的成果资料进行审查。对符合规范要求的使用权成果应加以利用,对于新增的或原有使用权成果精度不符合要求的宗地在三维倾斜模型上重新采集。

数据采集的精度受人工差异化的影响,在采集数据时应注意以下几个问题:

1)选择清晰度最高的特征点采集;

2)选择最佳视角,数据采集员应正视特征点,避免出现坐

标飘移现象;

3)特征点位置的选择应准确,根据相应规范要求执行;

4)对于房屋密集或者存在严重遮挡的情况不要强行采

点,应经外业补测。

三维模型数据采集,如图 4 所示。

红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图13)

图4 三维模型数据采集

2.3.6 外业补测

内业工作完成后,以三维测图成果为工作底图开展工作,并入户进行调查。在调查的同时对部分房屋结构复杂、三维模型不清晰的情况利用 GNSS RTK、全站仪、钢尺进行辅助测量,外业补测主要开展以下工作:

1)利用钢尺丈量界址边,对边长超限的界址边利用

GNSS RTK 或全站仪重新采集界址点;

2)对三维实景模型不清晰或不规整的房屋拐点重新采集

特征点;

3)丈量房产面积,面积超限的重新采集。

由于本试验区地形高差不大、建筑物低矮、大部分房屋较

为规整、房檐结构简单,外业补测工作量较小。

2.4 精度评定

为了验证三维倾斜摄影测量的精度以及三维倾斜摄影测

量技术在农村房地一体中应用的可行性,在整村数据采集完成

后,利用 GNSS-RTK、全站仪、钢尺实地随机打点、量边进行检查。外业共采集了 25 个房角点,精度统计见表 1。

表1 外业检测房角点精度统计表

红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图14)

从表 1 可以看出:坐标较差小于等于 0.05 m 的房角点共7 个,占检测点数的 28%;大于 0.05 m 的房角点共 18 个,占检测点数的 72%。

因为房角点坐标的获取是采用 RTK 获取的,所以按同精度检测统计中误差。计算公式为:红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图15) 式中:m为中误差;∆为测量值与真实值的差值;n为样本数。

经计算,本次检测中误差为 0.06 m。

外业共丈量了 10 条边长,边长统计精度,如表 2 所示。

表2 外业检测界址边长精度统计表

红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图16)

由于丈量边长数量小于 20,采用算术平均值计算中误差,得到的中误差为 0.068 m。根据《云南省农村不动产确权登记发证工作实施细则》要求,在城镇规划区内的农村不动产测绘比例尺为 1:500,界址点中误差为 ±0.05 m,界址边中误差 ±0.10 m;在城镇规划区范围外的农村不动产测绘比例尺为 1:2 000,同一宗地内界址点中误差为 ±0.3 mm,界址边中误差为 ±0.10 m,最大允许误差 ±0.15 m。

从以上精度统计分析可以看出,基于单镜头航摄的三维倾斜摄影测量很难满足城镇规划区范围内房地一体精度要求,但在城镇规划区范围外基于单镜头航摄的三维倾斜摄影测量精度能满足规范要求。对中误差超过 0.05 m 的房角点进行专题分析,部分原因是三维模型不太清晰,另一部分原因是作业员采集特征点不到位。

本试验区地形高差不大、房屋结构简单、规整,因此采用单镜头实施三维倾斜摄影测量能达到上述精度指标。对于城镇规划范围内以及房屋高度较高、房檐结构复杂或者地形高差较大的地区,建议使用搭载五镜头相机航摄以提高三维倾斜摄影的精度和工作效率;城镇规划区范围外、房屋结构简单、规整的农村房地一体工作,采用单镜头实施三维倾斜摄影可以满足规范要求。

2.5 三维倾斜摄影测量的优势

通过本次试验,验证了三维倾斜摄影测量技术在农村房地一体中运用的可行性。利用三维倾斜摄影测量技术开展农村房地一体工作主要有以下优点:

1)大大节省了外业数据采集的时间,加快了工作进度;

2)大幅减少外业数据采集人员,降低生产成本;

3)提供的数字产品多样化,数字成果可多领域重复使用;

4)可视化的三维实景模型可辅助检查,减少内、外业检查

的工作量。

03结束语

结合云南省农村宅基地和集体建设用地使用权登记发证情况,以及农村不动产测绘房地一体工作开展的要求,需要对原来完成的使用权调查成果进行审查,使用无人机三维倾斜摄影测量可对原使用权调查成果进行直观、公正、科学的审查;面对如此大的工作量,采用无人机三维倾斜摄影测量技术方具有很大的优势,能最大限度的节约人工和时间成本。通过试验,得出无人机倾斜摄影测量的精度能满足规范要求,论证了无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体中的应用的可行性。

文章转载于:地矿测绘 2020,36(1):44~47作者:卢加华,刘健,田滔,郑强,李超原标题:无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体中的应用本文仅限行业学习交流之用,版权、著作权归原载平台及作者所有,如有侵权请告知删除

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免像控误差分析及1:500无人机航测免像控技术流程
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红鹏1:500毫米级金牛倾斜摄影相机,火遍大江南北大疆精灵4 RTK倾斜摄影在房地一体中可行性验证(CC+EPS)(图17)