基于无人机技术的不动产测绘应用研究

张 铃

（福建省地图出版社有限责任公司，福建 福州 350001）

0 引言

不动产测绘指的是对一定范围内的房产状况进行调查，调查的主要内容包括不动产的实际状态、具体位置、实际用途以及房产大小等。传统的不动产测绘方式主要依靠人工在实地进行测量。这种工作模式不仅效率较低，且获取的数据是二维模式，无法做到对不动产的全面、立体测绘。而无人机倾斜摄影技术作为一种全新的三维立体测量技术，实现了人机交互技术和切斜摄影技术的有机融合，利用无人机飞行平台上所携带的各种传感器，从垂直、倾斜等多个不同的角度来对不动产数据信息进行收集，并以采集得到的数据信息为基础绘制出三维立体模型，结合正交图采集方法，可以生成真实、直观的三维坐标地形模型，突破了传统不动产测绘中只能由垂直角度进行测量的瓶颈，完美解决了传统测绘模式效率低下、质量不高的问题。由此可以看出，基于无人机倾斜摄影技术的不动产测绘能够从水平、垂直等多个不同的角度来采集数据信息，具有测绘效率高、精准度高以及作业成本低等很多优点。

1 构建不动产测绘模型

基于无人机倾斜摄影技术建立起不动产测绘模型，通过对图像控制点和路径的规划来获取不动产的多视角图像，然后通过对采集得到的数据信息进行处理得出不动产的三维空间模型，生成真实的无线电图像，并采用专业的软件程序来对三维模型进行编辑和处理，模型具体的处理流程如图1所示。

图1 模型数据处理流程

此外，在采用无人机进行测绘任务之前，还应对测定范围内的气候条件、交通状况和建筑高度等能够对无人机飞行产生影响的因素进行统计和分析，做到结合实际情况来制定出具体的飞行任务[1]。通常来讲，无人机的飞行时间在上午9点至下午4点之间最佳，而图像控制点的数量以及具体分布则应根据现场实际情况、无人机的飞行高度以及具体的飞行计划来确定。而在实际的测绘过程中，对像素点的布控应结合测绘任务的实际条件来进行灵活调整，以便获得精准的测绘数据。

2 测控点数据采集与检查

采用无人机倾斜摄影技术对不动产进行测绘之前应先做好工作内容规划，主要包括对测绘区域的航线进行规划、测绘区域天气状态查询、不动产基础信息收集以及确定数据控制点监测装置等。

航向是采用无人机进行测绘的一项关键内容。由于无人机具备一定的智能化水平，因此在进行航向选择方面只需确定合适的地面分辨率、倾斜摄影面积标准就可以得到精度较高的不动产测绘数据。此外，无人机的飞行高度对倾斜摄影的分辨率也有十分直接的影响，这就需要在实际的测绘过程中结合不动产的实际特点来合理调整倾斜摄影的焦距，同时对采集数据的质量进行检测，以便确保倾斜摄影的分辨率能够在无线电图中使用。无人机不同飞行高度的采集数据分辨率见表1。

表1 不同飞行高度的数据采集分辨率

参数之间的计算公式如公式（1）所示。

式中：H为无人机的飞行高度；f为倾斜摄像机的焦距；GSD为摄像机的分辨率；b为摄像机像素的大小。

由公式（1）可以看出，摄像机分辨率会随无人机飞行高度的增加而不断降低[2]。采用倾斜摄影来对不动产数据信息进行采集时还会出现2个相邻影像重叠的现象，尤其是在沿着无人机航向的三维空间模型之内，该问题表现得尤为明显。而图像色调偏差过大则会导致无人机实际飞行路线和设计路线出现偏差，因此需要对影像重叠度进行计算，其具体的计算公式如公式（2）、公式（3）所示。

式中：α为无人机航向重叠度；β为无人机旁向重叠度；l为影像的重叠距离；lx为无人机航向飞机距离；ly为无人机旁向飞行距离。

结合无人机摄影测量的相关标准，在对无人机摄像面积和航程进行设计时，一般不超过不动产测绘像幅的一半[3]。为了在最大程度上满足无人机倾斜摄影的要求，还在测绘区域内立体均匀的布控相控点，保证相控点和无人机航线在同一区域之内。

得到测绘数据之后，还应对数据信息进行加工处理以便消除当地气候条件以及地理因素对数据的影响，具体的处理方式如下：首先将测绘数据传输至数据中心之后，采用POS系统对获得的图像质量以及无人机飞行平台的安全性进行检查。其中对图像来讲，主要检查其色彩饱和度、清晰度以及像素等要素是否满足不动产测绘的相关要求。同时还应对无人机摄影的位置进行检查，以便确定是否存在角度偏转等问题。无人机摄影质量的高低在很大程度上是由相控点的精度所决定的，而对相控点精度的测控则需要采用GPS-RTK技术来完成，该技术能够实现对相控点布置体系和数据信息的识别，并自动对相邻时间段的相控点数据进行比对，同时计算出相控点数据的误差范围[4]。此外，对空三精度进行评价也是对无人机摄影数据进行处理的一种重要手段，其主要是对空三数据进行联合平差处理，以便得到摄影数据和实际不动产坐标值之间的误差，误差值的具体计算公式如公式（4）所示。

式中：∆m为空三平均误差值；∆x2为不动产三维空间中水平误差值；∆y2为不动产三维空间中垂直方向误差值。

经过处理和计算得到三维空间模型数据之后，还应采取专业的三维软件对数据进行完善和优化，主要对图像数据中的光线与镜头进行处理，并在三维立体模型中对不动产测绘内容进行建模模拟，进而构建起完善的三维不动产体系，直观、清晰地展示出不动产的真实状况，以满足工程测绘的多元化需求[5]。采用三维软件对图像数据进行处理的流程如下：首先，对图像数据信息进行识别，判断其中是否含有不动产测绘的要素。其次，在图像数据的边缘记录坐标以及界线边长，对摄像数据的精度进行测定。最后，系统会选取局部图像数据对不动产测绘进行模拟实现，在基础不动产测绘过程中叠加图像，增加数字成果，同时对不满足拟合程度的图像数据重新进行筛查和处理。

3 航线规划

采用无人机进行不动产测绘时，为了兼顾测绘的效率和尽可能获取更多的测绘数据，还应对无人机的航线进行合理规划。在此过程中就可以采用无人机航线规划软件绘制出具体的航程图，只需要在该软件中输入航线的具体参数即可获得具体的航路数据[6]。对农村不动产进行测绘时，鉴于农村房产所具有的分散性特征，可以采用如图2所示的规划方式。在该种规划模式下需要对不动产进行划分，并根据多边形对无人机航向进行规划。航线具体的规划流程为如下：1）利用外接矩形包裹多边形，并根据多边形顶点的最大值和最小值，采用公式计算得出最佳线性的不规则多边形直线方程，并结合无人机飞行高度、飞行航程等对航线进行规划。其计算公式为y=kx+d，其中k为直线的具体斜率，d为直线在y轴的截距。2）根据多边形对无人机航线进行规划，并提取出不动产范围的不规则多边形。3）利用不规则多边形航线规划计算得出无人机航线的区域范围。在此过程中，为了保证测绘区域边界有较多的影像资料，可以采用倾斜的角度和测绘区域高度差对线宽进行计算，具体的计算公式为L=HtanF，其中L为扩展距离，F为摄影设备的倾斜角，H为区域测量高度差值。4）结合不规则多边形的外扩距离计算得出零散多边形的相关数据，其具体的计算公式如公式（5）所示。

图2 航线规划图

式中：S1、S2为不规则多边形的面积；S为合并多边形面积；S0为无人机倾斜摄影进行测绘的具体区域；β为离散多边形相关性。

4 三维重建

对无人机航线进行规划完成之后，需要将规划好的航线数据上传至无人机的飞行控制系统中，进而在测绘过程中对图像数据进行采集。经过处理之后的倾斜摄影数据可以直接应用于不动产的测绘中，但在实际应用过程中还需要对不同结构的数据进行分类，以方便对其进行进一步处理。采用三维空间模型对图像数据进行初步的空间模拟之后，才能开展对不动产地图的测绘工作。进行地图测绘的具体流程如下：首先，采用Smart3D软件构建不动产数据模型，并对图像数据的完整性进行检测，在确定不动产数据坐标的前提下，对像控点进行布控，以保证所得相控点数据的精准度。其次，三维模型中的数据信息存储在系统操作平台中，并将不动产地籍权属相关数据录入至操作平台中。最后，对图像数据信息不完整的，应采用RTK技术来对其进行补充采集。

开展无人机倾斜摄影三维重建的主要目标是从采集得到的图像数据中计算得出不动产的三维数据位置、几何形状等信息，并在此基础之上生成三维点云。为了能够在最大程度上满足不动产测绘的应用需求，还需要将三维点云置入真实的不动产坐标系中。对此就需要在测绘区域内布控图像控制点，以便得到测绘区域的实际坐标图像控制点[7]。由此可以看出对图像进行三维重建是以计算机视觉原理为基础进行的，摄影图像的三维建模流程如图3所示。

图3 三维建模步骤

在此基础之上采用尺度不变特征变换算法（SIFT），在对图像数据信息进行前处理的基础之上，对摄影图像的特征点进行逐一匹配。进行匹配的工作原理为通过连续选择2个相邻摄像图像中连接点的相对方向对方向性元素进行计算，并采用旋转矩阵构建自由网络。然后对图像的波束法和空中三相进行结合，进而得出具有较高精准度的正外方位元素，其计算公式如公式（6）所示。

式中：AG为观测值与测量值之差；C为摄像图像的外方位元素系数矩阵；Δ为校正系数；ΔG为控制点坐标校正值；KG为和ΔG控制点所对应的系数矩阵；ΔT为连接点坐标校正值；KT为和ΔT所对应的系数矩阵；L为表征观测值和计算得出结果之间的差值；I为单位矩阵；Ld为虚拟观测向量。

在三维对立面中，一对同名点可以得到2个同名射线，2条射线的交点即为接地点的空间坐标。在对图像特征点进行匹配和提取的过程中，由于只能得到离散的稀疏空间点，因此要想获得三维密集点云数据，就需要对图像进行密集匹配，并同时建立起三维点云坐标转换模型，利用对图像坐标转换的方式来获得不动产的真实地理坐标。采用所视图来对图像特征进行匹配，以便得到较为精准的外方位元素，并采用分块多视图匹配产生立体对。然后采用三维点云对图像空间进行三角划分，并对每个加密曲面三角形进行加密，以完成对图像的三角分割，最终得出图像的三维空间模型。

5 结语

综上所述，该文主要介绍了无人机倾斜摄影技术在不动产测绘中的应用。和传统的人工测绘方式相比，基于无人机倾斜摄影技术具有测绘精度高、工作效率高以及使用成本低等很多优点，因此大大提升了不动产测绘的工作效率，实现了对不动产的非接触测绘。但从另一方面来看，虽然采用无人机倾斜摄影技术可以大大提升不动产测绘的工作效率，但同时无人机倾斜摄影对应用环境以及设备都有较高的要求，摄像机的角度关系也较为复杂，因此在实际使用过程中还需要对相关技术进行深入研究，以便不断提升图像的精细化水平。