利用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)村土地確權(quán)具有效率高、成本低的優(yōu)勢。通過開展簡易無人機(jī)低空攝影測量試驗(yàn),采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理方法,得到影像外方位元素的近似值,再利用附加參數(shù)的自檢校光束法進(jìn)行平差,明顯提高了無人機(jī)低空攝影測量的定位精度,表明該方法具有一定的實(shí)用價(jià)值; 通過分析影響無人機(jī)攝影測量精度的主要因素,給出了控制無人機(jī)低空攝影測量精度的若干建議。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī); 宅基地確權(quán); 運(yùn)動(dòng)推斷結(jié)構(gòu); 相機(jī)檢校; 自檢校; 精度驗(yàn)證

　　引言

　　近年來無人機(jī)的快速發(fā)展使其在測繪、農(nóng)業(yè)、電力、軍事等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。特別是在航空攝影測量中, 無人機(jī)已成為十分重要的數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)。在小區(qū)域大比例尺測繪中, 無人機(jī)具有明顯的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)有人駕駛航測飛機(jī)相比, 無人機(jī)大比例尺測圖具有以下顯著特點(diǎn): ①數(shù)據(jù)獲取成本較低, 具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢; ②成圖周期短, 由于無人機(jī)起降靈活、對(duì)保障條件要求較低等, 可以快速獲取任務(wù)區(qū)域影像; ③適合于零散小區(qū)域測圖, 在土地確權(quán)、新農(nóng)村建設(shè)等應(yīng)用中通常是比較理想的選擇[1，2]。國內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞無人機(jī)攝影測量開展了大量的研究工作, 研究的重點(diǎn)已經(jīng)從可行性研究轉(zhuǎn)移到如何提高無人機(jī)攝影測量的精度上來。

　　2013年以來國家開展農(nóng)村土地確權(quán)工作, 對(duì)宅基地、耕地等開展確權(quán)登記, 其中十分重要的一項(xiàng)工作就是進(jìn)行全國范圍內(nèi)的宅基地普查測量工作。由于工作量大、時(shí)間緊, 如果完全依靠全站儀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(real time kinematic, RTK)等人工測量手段, 不僅成本十分高昂, 工期也將大大延長。而采用無人機(jī)航空攝影方式, 則可以大大提高工作效率, 降低測圖成本。與地形圖的測圖要求不同, 宅基地確權(quán)僅需要獲取農(nóng)村建筑物的平面坐標(biāo), 不需要其高程信息。

　　為了對(duì)無人機(jī)大比例尺測圖的精度進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證, 本文開展了基于簡易無人機(jī)平臺(tái)的小區(qū)域大比例尺測圖的試驗(yàn)研究, 分析了影響無人機(jī)低空攝影測量精度的主要因素, 并給出了提高無人機(jī)低空攝影測量精度的建議。本研究中, 無人機(jī)上搭載的是未經(jīng)過檢校標(biāo)定的普通數(shù)碼相機(jī), 而且是僅利用航攝區(qū)域的影像和少量地面控制點(diǎn)信息進(jìn)行測圖。

　　無人機(jī)影像獲取

　　1.1 飛行平臺(tái)

　　本研究采用廈門市無人機(jī)遙感工程應(yīng)用中心研發(fā)的某型電動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行土地確權(quán)精度驗(yàn)證試驗(yàn)。飛機(jī)平臺(tái)如圖1所示。

　　圖1 無人機(jī)平臺(tái)

　　該型無人飛機(jī)續(xù)航時(shí)間為90 min, 彈射起飛, 傘降回收, 翼展2 m, 起飛重量7 kg, 通訊控制半徑10 km。搭載相機(jī)為SONY NEX-5T, 圖像分辨率為4 912像素× 3 264像素。

　　1.2 無人機(jī)影像

　　試驗(yàn)區(qū)域位于河南省鹿邑縣, 共飛行10條航線, 相對(duì)航高400 m, 地面分辨率約0.05 m, 影像的航向重疊度約為70%, 旁向重疊度約為35%, 去除起飛降落、航線轉(zhuǎn)彎等共獲取有效影像392幅。影像分布及重疊情況如圖2所示(顏色代表影像的重疊度)。

　　圖2 影像分布示意圖

　　與傳統(tǒng)的航測飛機(jī)相比, 無人機(jī)的載荷有限, 加上成本的因素, 不能搭載專業(yè)的POS設(shè)備, 因此獲取的影像不帶有位置姿態(tài)信息。所用相機(jī)也是消費(fèi)級(jí)的數(shù)碼相機(jī), 畸變較大, 且事先未進(jìn)行相機(jī)檢校。加上無人機(jī)的體積小、重量輕、抗風(fēng)能力差, 航線重疊不規(guī)整, 影像的姿態(tài)角變化較大。

　　1.3 地面控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)

　　為了進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差以及精度驗(yàn)證, 在飛行區(qū)域利用RTK測量了11個(gè)地面控制點(diǎn)/檢查點(diǎn)。點(diǎn)位測量精度為厘米級(jí), 點(diǎn)號(hào)(圖中數(shù)字)和分布情況如圖3所示。

　　圖3 外業(yè)測量點(diǎn)分布示意圖

　　人機(jī)影像宅基地確權(quán)實(shí)驗(yàn)

　　由于無人機(jī)上僅有用于飛行控制的導(dǎo)航設(shè)備, 無法獲取影像內(nèi)外方位元素的近似值, 傳統(tǒng)航空攝影中的假設(shè)條件不再成立, 因此不能采用數(shù)字?jǐn)z影測量的理論和方法對(duì)獲取的無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　2.1 運(yùn)動(dòng)推斷結(jié)構(gòu)

　　運(yùn)動(dòng)推斷結(jié)構(gòu)(structure from motion, SFM)是計(jì)算機(jī)視覺中重要的理論, 其核心思想是利用從不同角度拍攝的具有重疊的影像恢復(fù)出相機(jī)的位置姿態(tài)(運(yùn)動(dòng))和場景的三維結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu))。在這個(gè)過程中僅需要利用影像本身, 不需要其它先驗(yàn)信息, 適合于處理簡易無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)[3]。

　　SFM技術(shù)的一般路線是先通過兩幀或三幀進(jìn)行求解, 以代數(shù)初始化射影空間上的三維結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù), 然后通過自定標(biāo)技術(shù)將其轉(zhuǎn)換到度量空間, 獲得度量空間上的重建, 主要包括特征點(diǎn)匹配跟蹤、攝像機(jī)內(nèi)參標(biāo)定和外參求解等幾個(gè)模塊, 其流程如圖4所示。

　　圖4 SFM主要流程

　　通過運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)得到的影像位置姿態(tài)是在局部空間坐標(biāo)系中, 還需要借助地面控制點(diǎn)將其轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系中。本研究從11個(gè)野外實(shí)測點(diǎn)中選擇6個(gè)作為控制點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差, 剩余的5個(gè)作為檢查點(diǎn)進(jìn)行精度驗(yàn)證與評(píng)估。

　　2.2 相機(jī)焦距f自檢校實(shí)驗(yàn)

　　如前所述, 未經(jīng)檢校的非量測性相機(jī)的鏡頭畸變比較大, 會(huì)直接影響獲取的內(nèi)方位元素和定位的精度。為了分析影響定位精度的各個(gè)因素的作用, 分別對(duì)相機(jī)的焦距、內(nèi)方位元素、相機(jī)畸變作為附加參數(shù)進(jìn)行了自檢校光束法平差, 結(jié)果如表3所示。

　　通過將相機(jī)焦距作為附加參數(shù)進(jìn)行自標(biāo)定區(qū)域網(wǎng)平差后可以發(fā)現(xiàn), 檢查點(diǎn)的平面和高程精度均有所提高, 特別是高程精度提高十分明顯, 說明焦距對(duì)于高程定位精度有較大的影響, 同時(shí)說明飛行前十分有必要對(duì)相機(jī)焦距進(jìn)行高精度檢校。

　　2.3 相機(jī)內(nèi)參數(shù)自檢校實(shí)驗(yàn)

　　為進(jìn)一步分析影響定位精度的因素, 將相機(jī)的內(nèi)方位元素(f, x0, y0)作為附加參數(shù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差, 結(jié)果如表4。

　　可以看出, 表4與表1相比, 檢查點(diǎn)的平面精度和高程精度均有十分明顯的提高, 說明進(jìn)行內(nèi)方位元素的自檢校十分必要; 與表3相比, 平面精度與高程精度有略微提高, 說明相機(jī)內(nèi)方位元素中, 焦距對(duì)于定位精度的影響最大。

　　2.4 相機(jī)內(nèi)方位元素、鏡頭畸變自檢校光束法平差實(shí)驗(yàn)

　　針對(duì)實(shí)際飛行前相機(jī)沒有進(jìn)行檢校標(biāo)定工作, 本次嘗試在區(qū)域網(wǎng)平差時(shí)同時(shí)解算相機(jī)的畸變參數(shù), 即將相機(jī)畸變參數(shù)作為附加參數(shù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。所采用的包括徑向畸變K1,K2, K3; 偏心畸變P1, P2; 像平面畸變?nèi)1和b2; 像主點(diǎn)偏差( x0, y0)和相機(jī)焦距f的10參數(shù)相機(jī)模型[6,7]。結(jié)果見表5。

　　對(duì)相機(jī)畸變參數(shù)進(jìn)行自檢校后發(fā)現(xiàn), 平面與高程的定位精度不但沒有提高, 反而出現(xiàn)了下降, 特別是高程方向。分析原因, 在于平差時(shí)引入了過多的未知數(shù), 引起法方程的不穩(wěn)定, 過參數(shù)化導(dǎo)致解算精度下降[3]。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在無人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測量中, 不事先進(jìn)行相機(jī)檢校, 在平差過程中進(jìn)行自標(biāo)定補(bǔ)償相機(jī)畸變的方式是不可取的。而事先對(duì)相機(jī)畸變進(jìn)行標(biāo)定, 在區(qū)域網(wǎng)平差之前予以改正, 可以獲得比較理想的精度。

　　本研究將相機(jī)內(nèi)參數(shù)自檢校實(shí)驗(yàn)的平差結(jié)果作為最終結(jié)果, 進(jìn)行影像密集匹配獲取了測區(qū)的數(shù)字表面模型(digital surface model, DSM), 如圖5所示。

圖5 數(shù)字表面模型

圖6 真正射影像

　　結(jié)論

　　利用輕便小型固定翼無人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)村土地確權(quán)是可行的, 速度快、成本低、優(yōu)勢明顯。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析, 可以得出以下結(jié)論:

　　1)在少量控制點(diǎn)的輔助下, 無人機(jī)影像定位精度能夠滿足1∶ 500成圖平面精度要求, 即符合農(nóng)村宅基地確權(quán)的精度要求。

　　2)內(nèi)方位元素中, 焦距對(duì)定位精度的影響最大, 特別是在高程方向, 其影響更為明顯。

　　3)飛行前應(yīng)該進(jìn)行相機(jī)檢校工作, 在區(qū)域網(wǎng)平差之前將相機(jī)畸變進(jìn)行改正, 有利于提高定位精度。

　　4)相機(jī)檢校與區(qū)域網(wǎng)平差分開進(jìn)行的方式比較適合于無人機(jī)低空攝影測量; 利用附加參數(shù)的自檢校區(qū)域網(wǎng)平差進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定容易因過度參數(shù)化導(dǎo)致結(jié)果精度惡化, 要慎重使用。

　　5)在小區(qū)域中大比例尺測圖中, 可以通過增大影像基高比、增加影像旁向重疊度和選擇合適相機(jī)的方式提高定位精度。

　　來源：《國土資源遙感》2017年29卷3期

　　作者：薛武，馬永政，趙玲， 莫德林