智能航測/遙感系統D200高精度地籍測量解決方案


一、地籍測量需求

??地籍測量是土地管理工作的重要基礎,是在權屬調查的基礎上運用測繪科學技術測定界址線的位置、形狀、數量、質量,計算面積,繪制地籍圖,為土地登記、核發證書提供依據,為地籍管理服務。

??傳統地籍測量往往采用人工跑點方式,使用全站儀+GPS RTK進行每個界址點的量測(如圖1和圖2所示),該測量方式外業工作量極大,使得項目人力成本高,作業周期長,效率低,且現在房子越來越密集,越來越復雜,很多房屋界址點人員很難達到,也使得地籍量測難度加大。然而不同于大比例尺地形測圖,地籍測量精度要求較高,其界址點誤差要求在5cm以內,傳統1:500航攝根本無法滿足其精度需求,地籍測量領域亟待新技術的出現,以打破當前人海戰術的低效率測量方式。

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圖1·GPS-RTK測量界址點

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圖2·全站儀測量界址點

??隨著無人機技術、傾斜技術的發展,三維建模、傾斜測圖等新技術的出現及成熟,采用傾斜測量進行地籍測量成為了一種可能。傾斜航空攝影測量可全方位獲取建筑物紋理信息,通過三維重建技術可精確還原建筑物現狀,而低空無人機技術可獲取優于1cm的影像數據,也使得三維模型精度大大提高。傾斜攝影的高冗余度的影像重疊,可極大提高影像匹配精度,而不同于傳統立體測圖的傾斜三維測圖,其所見即所得的采集方式可精確獲取建筑物角點信息,不受房檐遮擋影響,非常適用于地籍測量房屋的界址點獲取。

??二、D200地籍測量解決方案特點

??針對地籍測量的應用需求,飛馬推出了D200+D-OP300傾斜測量解決方案,該方案具備以下優勢:

??1、多旋翼平臺,飛機簡單易用,便攜可靠

??基于D200多旋翼飛行平臺,不受起降場地限制,靈活性高,模塊化結構設計,飛機組裝無需專門工具,可單人作業,攜帶方便;傳感器采用多路冗余設計,提供多重保障。

??2、高分辨率、高質量數據獲取

??D-OP300 采用索尼微單相機,總像素1.2億,配備35mm鏡頭,可獲取高分辨率、高質量影像數據,相機可通過無人機管家軟件統一操作,簡單可靠。

??3、長航時、高效率的數據獲取能力

??D200單架次海平面懸停時間48min,采用1.5cm進行地籍測量飛行時,單架次按照20km航程計算,實際飛行30分鐘,可實際作業0.37平方,一天即可飛行2.2平方公里。

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表1·D-OP300效率表

??4、RTK/PPK融合的免像控作業模式

??D200配備20Hz工業級高精度差分板卡,采用RTK/PPK融合的作業模式,采用逐相機打標的方式,可精確獲取每個相機每張照片像主點的位置信息,滿足稀少控制點地籍測圖、1:500的免像控地形測圖需求。

??5、精準地形跟隨飛行功能

??無人機管家專業版智航線模塊可根據本地三維地形或根據導入經過預掃獲取的快速高精度DSM生成精準地形跟隨航線;通過高精度的導航控制實現精準的變高飛行,即可有效解決山區的高分辨率影像數據獲取難題,同時也可保證測區地面分辨率的一致性。

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圖3·精準地形跟隨飛行航線示意圖

??三、飛馬智能航測/遙感系統D200簡介

??1、 D200系統簡介

??D200是飛馬著力推出的一款基于高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統,主打“高精度成圖”。D200起飛重量7.5kg,標準載重1kg,單架次海平面懸停時間48min,秉承飛馬產品安全可靠的設計理念,飛行器采取了多路冗余傳感器設計,保障飛行作業安全可靠;可搭載兩軸增穩云臺的單相機正射載荷、五相機傾斜航攝載荷、LiDAR載荷及視頻載荷,具備豐富、高效的數據獲取能力;配備高精度差分GNSS板卡,支持PPK、RTK及其融合作業模式,可實現稀少外業控制點或一定條件(地物特征豐富)下無控制點的1:500成圖,支持POS輔助空三,實現免像控應用。配合“無人機管家專業版”中精準地形跟隨飛行功能,可保證所獲取影像分辨率或LiDAR點云密度的一致性。

??D200配備的“無人機管家專業版”測量版軟件,滿足各種應用需求的航線模式,支持精準三維航線規劃、三維實時飛行監控,具備GPS融合解算、控制點量測、空三解算、一鍵成圖、一鍵導出立體測圖,提供DOM、DEM、DSM、TDOM、標準LiDAR點云等多種數據成果及瀏覽。

??2、 D200系統參數

??2.1、飛行平臺參數

??空機重量:6.5kg

??起飛重量:7.5kg

??對稱電機軸距:988mm

??外形尺寸:展開830×732×378mm

??折疊:955×362×378mm

??續航時間:48min(單架次海平面懸停時間)

??巡航速度:36~54km/h

??最大爬升速度:10m/s

??最大下降速度:8m/s

??懸停精度RTK:水平1cm+1ppm;垂直2cm+1ppm

??實用升限高度:4500m(海拔)

??抗風能力:5級(正常作業)

??任務響應時間:展開≤10min,撤收≤15min

??測控半徑:5km

??起降方式:無遙控器垂直起降

??工作溫度:-20~50°C

??外包裝箱尺寸:1038×475×366.5mm

??2.2、雙頻GPS導航參數

??導航衛星:GPS:L1+L2

??BeiDou:B1+B2

??GLONASS:L1+L2

??采樣頻率:20Hz

??定位精度:5cm

??差分模式:PPK/RTK及其融合作業模式

??2.3、D-OP300傾斜模塊參數

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??相機型號:SONY ILCE-6000

??相機數量:5

??傳感器尺寸:APS-C(23.5×15.6mm)

??有效像素:1.2億(2400萬*5)

??鏡頭焦距:下視25mm,斜視35mm

??傾斜角度:45度

??作業效率表如下:

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表2·作業效率表

??四、D200高精度地籍測量流程

??1、測區概況

??在進行作業前應明確任務目標,包括精度要求、區域范圍及測區概況。例如2018年7月,應某單位地籍測量需求,選定一個試驗區進行D200地籍測量精度驗證,測區位于陜西省合陽縣某村,測區面積為0.18km2,測區高差小且房屋密集,房屋多為平房。

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圖4·測區示意圖

??D200高精度地籍測量的作業流程如下圖所示:

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圖5·地籍測量作業流程示意圖

??2、測區踏勘

??踏勘的目的是為了了解測區的情況行政區域分布,控制點保存情況,地形地貌,房屋分布如房屋密集程度,道路是否通視、樓層高度是否遮擋GPS信號等,通過對測區的踏勘,了解測區的基本情況,以便布設圖根點;同時,為保證地籍測量精度,飛行相對高度較低,現場踏勘可以有效的掌握測區情況,保障飛行安全。

??3、航線設計

??為滿足地籍測量5cm精度需求,根據測區踏勘的情況,建議在條件允許的情況下按照地面分辨率優于2cm(注意這里說的是以傾斜相機獲取的實際分辨率核算,D200均采用傾斜相機像主點分辨率規劃航線),航向重疊度≥80%,旁向重疊度≥65%獲取傾斜原始影像。針對此次試驗區,D200設計地面分辨率2cm,航高為128m,航向重疊度為80%,旁向重疊度為77%,預計飛行時間為28分鐘。

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圖6·航線設計參數

??4、像控點布設

??D200采用RTK/PPK的融合作業模式,并具備逐相機獨立打標能力,免像控精度可以滿足1:500航攝規范要求,但要滿足地籍測量的精度要求仍然需要布設少量控制點,通常情況下1km2建議布設不少于10個控制點,同時布設部分檢查點。像控點可采用地面噴繪油漆作為測量標志,利用GPS-RTK采用強制對中桿測量標靶中心坐標,每個點位進行2~3個測回操作,取其平均值作為真值,將控制點精度控制在2cm以內,如下圖所示。

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圖7·像控點測量

??根據此次試驗區實際情況,外業人員共布設13個像控點(外圍6個作控制點,內部7個作檢查點),像控點采用西安80坐標系,高斯三度帶投影,中央經線111度,高程系統為1985國家高程基準。像控點分布如下圖所示。

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圖8·像控點分布

??5、外業飛行

??待像控點布測完成后即可進行飛行數據采集(如采用地物作為控制點可則不必等待);D200采用無遙控器全自動起降,整機模塊化設計外業10分鐘之內即可完成起飛,整個過程無需任何人工干預,即可保障數據采集;飛行完成后及時下載數據,包括照片、機載POS、機載GPS數據、基站數據,并現場檢查數據質量及完整性。

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圖9·現場作業照片

??6、內業處理流程

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圖10·內業處理流程圖

??6.1差分解算

??基于無人機管家的智理圖模塊進行融合差分GPS解算,得到五個相機的精確曝光定位信息。

??A、選擇GPS解算工具進行差分解算。

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圖11·GPS解算工具

??B、流動站觀測文件需要指定飛機GPS原始數據

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圖12·流動站文件加載

??C、勾選基準站,讀取頭文件,指定基站數據(*.GNS)轉換后的*.18o文件,如果是D200機型,讀取文件頭即為相位中心坐標

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圖13·基站加載

??D、單擊下一步,進入到GPS解算界面,勾選融合,GNSS系統默認為GPS+BeiDou,使用D200的情況下垂高默認為0

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圖14·差分解算設置

??E、指定RTK軌跡文件

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圖15·RTK軌跡數據加載

??F、指定解算結果保存路徑,點擊確定開始解算

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圖16·融合差分解算

??解算結果為5個POS及天線相位中心POS,其中cam1對應鏡頭1中的影像,以此類推。如下圖 D200差分解算結果。

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圖17·融合差分POS解算結果

??6.2坐標轉換

??坐標轉換的目的在于將WGS84坐標轉換為與控制點在同一坐標系下的平面坐標,因此此項目將WGS84坐標轉為西安80、中央經線111度的高斯投影坐標。已知該地區的七參數,采用無人機管家直接進行坐標轉換,具體流程如下:

??A、打開智理圖模塊下坐標轉換功能,如圖

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圖18·坐標轉換工具

??B、點擊設置選項,設置源橢球,目標橢球,中央子午線。

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圖19·源橢球與目標橢球設置

??C、輸入轉換參數,橢球轉換下對應布爾莎七參數,平面轉換下對應四參數,四參數一般配合高程擬合一起使用,根據需要填寫。

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圖20·七參數設置

??D、選擇文件轉換模式,導入解算出的5個POS,指定轉換后的保存路徑及名稱,根據導入的文件格式選擇對應的LBH,完成轉換。

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圖21·文件轉換

??6.3空三預處理

??采用飛馬無人機管家空三,進行傾斜數據預處理,獲取影像準確pos信息及相機信息,便于三維建模軟件ContextCapture(后面簡稱CC)進行空三處理。具體流程如下:

??A、利用無人機管家“智拼圖”模塊,新建工程并導入影像和POS,完成工程建立。

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圖22·創建工程

??B、勾選特征提取與匹配、空三計算和PPK,并點擊確定。

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圖23·空三計算

??C、空三結束,在智拼圖界面下導出CC的空三XML文件。

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圖24·導出CC空三XML文件

??6.4空三處理

??采用CC進行傾斜數據的處理,首先進行空三處理,為提高CC空三處理速度,基于管家預處理后的數據文件進行空三。

??A、打開CC,新建工程,導入管家輸出的XML文件,并在此基礎上進行后續處理。

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圖25·導入管家輸出的CC XML文件

??B、第一遍空三設置,按照近似POS平差參數設置進行空三,若POS準確,則再按照準確POS平差參數進行空三提交,則可實現差分和少量控制點的聯合平差。

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圖26·空三參數設置

??C、刺點,并按照控制點平差參數提交空三。

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圖27·導入控制點

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圖28·控制點空三設置

??D、檢查空三精度

??檢查傾斜空三精度,由表3和表4可知,該數據控制點和檢查點精度均在5cm以內,滿足地籍測量精度要求,則可進入三維重建操作。

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表3·控制點空三精度統計

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表4:·檢查點空三精度統計

??6.5三維重建

??采用CC進行高精度三維模型的生成,模型輸出格式選擇OSGB,可用于三維測圖軟件使用。

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圖29·OSGB格式輸出

??三維重建完成后,須檢查三維模型效果及精度。

??從圖30的模型效果圖上可以看出,三維模型可真實還原地物真實形態,且從模型上可清晰分辨每棟房屋,且房屋墻體平整,棱角分明,可精確采集房屋矢量。

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圖30·模型效果展示

??采用實測的檢查點進行三維模型的精度核查,由表5可知,三維模型平面中誤差為0.029m,高程中誤差為0.034m,滿足地籍測量5cm精度要求,可用于測圖采集。

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表5·檢查點模型誤差統計

??6.6三維測圖

??將模型導入EPS進行裸眼測圖,利用五點房采集方法,完成房屋的矢量采集,對于遮擋區域則進行外業調繪與補測,完成地籍圖的繪制。

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圖31·EPS裸眼測圖

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圖32·地籍圖成果

??6.7精度檢查

??完成地籍圖的繪制后,將其與實測的地籍圖進行套合檢查,并在測區均勻選取大量房角點進行誤差統計,由表4可知,利用三維測圖模式采集的地籍圖中誤差為3.8cm,95%的房角點誤差在5cm以內,最大誤差不超過2倍中誤差(10cm),滿足地籍測量精度要求。此項目采用D200進行地籍測量,外業飛行加內業處理僅用時3天,就完成了該測區地籍圖繪制,而傳統地籍測量,同樣人員組成下,則需要一周的工作量,由此可知新的地籍測量方式不但能夠滿足地籍測量高精度需求,還能夠極大縮短項目周期,且效率提高不止一倍。

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表6·誤差統計

??7、流程總結

??該技術路線與傳統地籍測量技術路線相比,將大量的外業工作量轉換為內業工作,降低了野外工作強度,且內業基于三維模型進行房屋的界址點測量,精度高,效率快,可滿足地籍測量高精度需求。此種新型地籍測量方式已得到廣大飛馬客戶的認可,并在多個地籍測量項目中得到成功應用。

??五、應用案例

??1、江蘇泰州地籍測量應用案例

??江蘇泰州某測繪公司接地籍項目,由于項目工期緊張,采用傳統地籍測量方法無法準時提交成果,在試驗區精度驗證合格后先后采購2套飛馬智能航測系統D200搭載D-OP300傾斜模塊,在2個月的時間內完成有效測圖面積為34.5km2的數據采集及生產,并滿足地籍精度要求,累計飛行230個架次。

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??圖33·部分測區模型成果圖

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??圖34·部分測區模型成果細節(白模)

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??圖35·部分測區模型成果細節

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??圖36·部分測區地籍成果圖

??2、福建南平地籍測量應用案例

??2018年5月,福州某測繪公司接到地籍項目需求,采用飛馬智能航測系統D200在福建南平進行實驗區精度驗證,該測區由于房屋密集樓房較多影響GPS信號,無法大批量采用GPS-RTK進行外業數據采集;同時由于道路狹窄,遮擋物較多全站儀不能通視。因此采用無人機傾斜攝影進行數據獲取是剛性需求。

??實驗測區面積為0.18km2,根據現場情況外業飛行人員最終決定按照D200飛行90m、航向重疊率80%,旁向重疊70%飛行,獲取分辨率1.4cm影像,飛行時間為29分鐘,共獲取7065張高分辨率影像。

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??圖37·試驗區航線示意圖

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??圖38·試驗區模型效果

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??圖39·試驗區模型細節圖

??模型導入EPS與測區已有成果圖進行套合,套合效果如圖所示。

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??圖40·模型與線劃圖套合

??利用EPS在模型上選取房角點與測區已有點進行對比,經統計,中誤差為4.1cm,滿足地籍測量精度要求。內業人員基于EPS大面積矢量化,結合外業補測,最終得到地籍圖成果,如下圖所示。

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??圖41·地籍圖成果


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