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飞马智能航测/遥感系统D200高精度地籍测量解决方案

发布日期:2018-08-27  来源:飞马机器人  作者:飞马机器人我要投稿我要评论

  一、地籍测量需求

  地籍测量是土地管理工作的重要基础,是在权属调查的基础上运用测绘科学技术测定界址线的位置、形状、数量、质量,计算面积,绘制地籍图,为土地登记、核发证书提供依据,为地籍管理服务。

  传统地籍测量往往采用人工跑点方式,使用全站仪+GPS RTK进行每个界址点的量测(如图1和图2所示),该测量方式外业工作量极大,使得项目人力成本高,作业周期长,效率低,且现在房子越来越密集,越来越复杂,很多房屋界址点人员很难达到,也使得地籍量测难度加大。然而不同于大比例尺地形测图,地籍测量精度要求较高,其界址点误差要求在5cm以内,传统1:500航摄根本无法满足其精度需求,地籍测量领域亟待新技术的出现,以打破当前人海战术的低效率测量方式。

图1·GPS-RTK测量界址点

图2·全站仪测量界址点

  随着无人机技术、倾斜技术的发展,三维建模、倾斜测图等新技术的出现及成熟,采用倾斜测量进行地籍测量成为了一种可能。倾斜航空摄影测量可全方位获取建筑物纹理信息,通过三维重建技术可精确还原建筑物现状,而低空无人机技术可获取优于1cm的影像数据,也使得三维模型精度大大提高。倾斜摄影的高冗余度的影像重叠,可极大提高影像匹配精度,而不同于传统立体测图的倾斜三维测图,其所见即所得的采集方式可精确获取建筑物角点信息,不受房檐遮挡影响,非常适用于地籍测量房屋的界址点获取。

  二、D200地籍测量解决方案特点

  针对地籍测量的应用需求,飞马推出了D200+D-OP300倾斜测量解决方案,该方案具备以下优势:

  1、多旋翼平台,飞机简单易用,便携可靠

  基于D200多旋翼飞行平台,不受起降场地限制,灵活性高,模块化结构设计,飞机组装无需专门工具,可单人作业,携带方便;传感器采用多路冗余设计,提供多重保障。

  2、高分辨率、高质量数据获取

  D-OP300 采用索尼微单相机,总像素1.2亿,配备35mm镜头,可获取高分辨率、高质量影像数据,相机可通过无人机管家软件统一操作,简单可靠。

  3、长航时、高效率的数据获取能力

  D200单架次海平面悬停时间48min,采用1.5cm进行地籍测量飞行时,单架次按照20km航程计算,实际飞行30分钟,可实际作业0.37平方,一天即可飞行2.2平方公里。

表1·D-OP300效率表

  4、RTK/PPK融合的免像控作业模式

  D200配备20Hz工业级高精度差分板卡,采用RTK/PPK融合的作业模式,采用逐相机打标的方式,可精确获取每个相机每张照片像主点的位置信息,满足稀少控制点地籍测图、1:500的免像控地形测图需求。

  5、精准地形跟随飞行功能

  无人机管家专业版智航线模块可根据本地三维地形或根据导入经过预扫获取的快速高精度DSM生成精准地形跟随航线;通过高精度的导航控制实现精准的变高飞行,即可有效解决山区的高分辨率影像数据获取难题,同时也可保证测区地面分辨率的一致性。

图3·精准地形跟随飞行航线示意图

  三、飞马智能航测/遥感系统D200简介

  1、 D200系统简介

  D200是飞马着力推出的一款基于高性能旋翼平台的一体化高精度航测无人机系统,主打“高精度成图”。D200起飞重量7.5kg,标准载重1kg,单架次海平面悬停时间48min,秉承飞马产品安全可靠的设计理念,飞行器采取了多路冗余传感器设计,保障飞行作业安全可靠;可搭载两轴增稳云台的单相机正射载荷、五相机倾斜航摄载荷、LiDAR载荷及视频载荷,具备丰富、高效的数据获取能力;配备高精度差分GNSS板卡,支持PPK、RTK及其融合作业模式,可实现稀少外业控制点或一定条件(地物特征丰富)下无控制点的1:500成图,支持POS辅助空三,实现免像控应用。配合“无人机管家专业版”中精准地形跟随飞行功能,可保证所获取影像分辨率或LiDAR点云密度的一致性。

  D200配备的“无人机管家专业版”测量版软件,满足各种应用需求的航线模式,支持精准三维航线规划、三维实时飞行监控,具备GPS融合解算、控制点量测、空三解算、一键成图、一键导出立体测图,提供DOM、DEM、DSM、TDOM、标准LiDAR点云等多种数据成果及浏览。

  2、 D200系统参数

  2.1、飞行平台参数

  空机重量:6.5kg

  起飞重量:7.5kg

  对称电机轴距:988mm

  外形尺寸:展开830×732×378mm

  折叠:955×362×378mm

  续航时间:48min(单架次海平面悬停时间)

  巡航速度:36~54km/h

  最大爬升速度:10m/s

  最大下降速度:8m/s

  悬停精度RTK:水平1cm+1ppm;垂直2cm+1ppm

  实用升限高度:4500m(海拔)

  抗风能力:5级(正常作业)

  任务响应时间:展开≤10min,撤收≤15min

  测控半径:5km

  起降方式:无遥控器垂直起降

  工作温度:-20~50°C

  外包装箱尺寸:1038×475×366.5mm

  2.2、双频GPS导航参数

  导航卫星:GPS:L1+L2

  BeiDou:B1+B2

  GLONASS:L1+L2

  采样频率:20Hz

  定位精度:5cm

  差分模式:PPK/RTK及其融合作业模式

  2.3、D-OP300倾斜模块参数

  相机型号:SONY ILCE-6000

  相机数量:5

  传感器尺寸:APS-C(23.5×15.6mm)

  有效像素:1.2亿(2400万*5)

  镜头焦距:下视25mm,斜视35mm

  倾斜角度:45度

  作业效率表如下:

表2·作业效率表

  四、D200高精度地籍测量流程

  1、测区概况

  在进行作业前应明确任务目标,包括精度要求、区域范围及测区概况。例如2018年7月,应某单位地籍测量需求,选定一个试验区进行D200地籍测量精度验证,测区位于陕西省合阳县某村,测区面积为0.18km²,测区高差小且房屋密集,房屋多为平房。

图4·测区示意图

  D200高精度地籍测量的作业流程如下图所示:

图5·地籍测量作业流程示意图

  2、测区踏勘

  踏勘的目的是为了了解测区的情况行政区域分布,控制点保存情况,地形地貌,房屋分布如房屋密集程度,道路是否通视、楼层高度是否遮挡GPS信号等,通过对测区的踏勘,了解测区的基本情况,以便布设图根点;同时,为保证地籍测量精度,飞行相对高度较低,现场踏勘可以有效的掌握测区情况,保障飞行安全。

  3、航线设计

  为满足地籍测量5cm精度需求,根据测区踏勘的情况,建议在条件允许的情况下按照地面分辨率优于2cm(注意这里说的是以倾斜相机获取的实际分辨率核算,D200均采用倾斜相机像主点分辨率规划航线),航向重叠度≥80%,旁向重叠度≥65%获取倾斜原始影像。针对此次试验区,D200设计地面分辨率2cm,航高为128m,航向重叠度为80%,旁向重叠度为77%,预计飞行时间为28分钟。

图6·航线设计参数

  4、像控点布设

  D200采用RTK/PPK的融合作业模式,并具备逐相机独立打标能力,免像控精度可以满足1:500航摄规范要求,但要满足地籍测量的精度要求仍然需要布设少量控制点,通常情况下1km²建议布设不少于10个控制点,同时布设部分检查点。像控点可采用地面喷绘油漆作为测量标志,利用GPS-RTK采用强制对中杆测量标靶中心坐标,每个点位进行2~3个测回操作,取其平均值作为真值,将控制点精度控制在2cm以内,如下图所示。

图7·像控点测量

  根据此次试验区实际情况,外业人员共布设13个像控点(外围6个作控制点,内部7个作检查点),像控点采用西安80坐标系,高斯三度带投影,中央经线111度,高程系统为1985国家高程基准。像控点分布如下图所示。

图8·像控点分布

  5、外业飞行

  待像控点布测完成后即可进行飞行数据采集(如采用地物作为控制点可则不必等待);D200采用无遥控器全自动起降,整机模块化设计外业10分钟之内即可完成起飞,整个过程无需任何人工干预,即可保障数据采集;飞行完成后及时下载数据,包括照片、机载POS、机载GPS数据、基站数据,并现场检查数据质量及完整性。

图9·现场作业照片

  6、内业处理流程

图10·内业处理流程图

  6.1差分解算

  基于无人机管家的智理图模块进行融合差分GPS解算,得到五个相机的精确曝光定位信息。

  A、选择GPS解算工具进行差分解算。

图11·GPS解算工具

  B、流动站观测文件需要指定飞机GPS原始数据

图12·流动站文件加载

  C、勾选基准站,读取头文件,指定基站数据(*.GNS)转换后的*.18o文件,如果是D200机型,读取文件头即为相位中心坐标

图13·基站加载

  D、单击下一步,进入到GPS解算界面,勾选融合,GNSS系统默认为GPS+BeiDou,使用D200的情况下垂高默认为0

图14·差分解算设置

  E、指定RTK轨迹文件

图15·RTK轨迹数据加载

  F、指定解算结果保存路径,点击确定开始解算

图16·融合差分解算

  解算结果为5个POS及天线相位中心POS,其中cam1对应镜头1中的影像,以此类推。如下图 D200差分解算结果。

图17·融合差分POS解算结果

  6.2坐标转换

  坐标转换的目的在于将WGS84坐标转换为与控制点在同一坐标系下的平面坐标,因此此项目将WGS84坐标转为西安80、中央经线111度的高斯投影坐标。已知该地区的七参数,采用无人机管家直接进行坐标转换,具体流程如下:

  A、打开智理图模块下坐标转换功能,如图

图18·坐标转换工具

  B、点击设置选项,设置源椭球,目标椭球,中央子午线。

图19·源椭球与目标椭球设置

  C、输入转换参数,椭球转换下对应布尔莎七参数,平面转换下对应四参数,四参数一般配合高程拟合一起使用,根据需要填写。

图20·七参数设置

  D、选择文件转换模式,导入解算出的5个POS,指定转换后的保存路径及名称,根据导入的文件格式选择对应的LBH,完成转换。

图21·文件转换

  6.3空三预处理

  采用飞马无人机管家空三,进行倾斜数据预处理,获取影像准确pos信息及相机信息,便于三维建模软件ContextCapture(后面简称CC)进行空三处理。具体流程如下:

  A、利用无人机管家“智拼图”模块,新建工程并导入影像和POS,完成工程建立。

图22·创建工程

  B、勾选特征提取与匹配、空三计算和PPK,并点击确定。

图23·空三计算

  C、空三结束,在智拼图界面下导出CC的空三XML文件。

图24·导出CC空三XML文件

  6.4空三处理

  采用CC进行倾斜数据的处理,首先进行空三处理,为提高CC空三处理速度,基于管家预处理后的数据文件进行空三。

  A、打开CC,新建工程,导入管家输出的XML文件,并在此基础上进行后续处理。

图25·导入管家输出的CC XML文件

  B、第一遍空三设置,按照近似POS平差参数设置进行空三,若POS准确,则再按照准确POS平差参数进行空三提交,则可实现差分和少量控制点的联合平差。

图26·空三参数设置

  C、刺点,并按照控制点平差参数提交空三。

图27·导入控制点

图28·控制点空三设置

  D、检查空三精度

  检查倾斜空三精度,由表3和表4可知,该数据控制点和检查点精度均在5cm以内,满足地籍测量精度要求,则可进入三维重建操作。

表3·控制点空三精度统计

表4:·检查点空三精度统计

  6.5三维重建

  采用CC进行高精度三维模型的生成,模型输出格式选择OSGB,可用于三维测图软件使用。

图29·OSGB格式输出

  三维重建完成后,须检查三维模型效果及精度。

  从图30的模型效果图上可以看出,三维模型可真实还原地物真实形态,且从模型上可清晰分辨每栋房屋,且房屋墙体平整,棱角分明,可精确采集房屋矢量。

图30·模型效果展示

  采用实测的检查点进行三维模型的精度核查,由表5可知,三维模型平面中误差为0.029m,高程中误差为0.034m,满足地籍测量5cm精度要求,可用于测图采集。

表5·检查点模型误差统计

  6.6三维测图

  将模型导入EPS进行裸眼测图,利用五点房采集方法,完成房屋的矢量采集,对于遮挡区域则进行外业调绘与补测,完成地籍图的绘制。

图31·EPS裸眼测图

图32·地籍图成果

  6.7精度检查

  完成地籍图的绘制后,将其与实测的地籍图进行套合检查,并在测区均匀选取大量房角点进行误差统计,由表4可知,利用三维测图模式采集的地籍图中误差为3.8cm,95%的房角点误差在5cm以内,最大误差不超过2倍中误差(10cm),满足地籍测量精度要求。此项目采用D200进行地籍测量,外业飞行加内业处理仅用时3天,就完成了该测区地籍图绘制,而传统地籍测量,同样人员组成下,则需要一周的工作量,由此可知新的地籍测量方式不但能够满足地籍测量高精度需求,还能够极大缩短项目周期,且效率提高不止一倍。

表6·误差统计

  7、流程总结

  该技术路线与传统地籍测量技术路线相比,将大量的外业工作量转换为内业工作,降低了野外工作强度,且内业基于三维模型进行房屋的界址点测量,精度高,效率快,可满足地籍测量高精度需求。此种新型地籍测量方式已得到广大飞马客户的认可,并在多个地籍测量项目中得到成功应用。

  五、应用案例

  1、江苏泰州地籍测量应用案例

  江苏泰州某测绘公司接地籍项目,由于项目工期紧张,采用传统地籍测量方法无法准时提交成果,在试验区精度验证合格后先后采购2套飞马智能航测系统D200搭载D-OP300倾斜模块,在2个月的时间内完成有效测图面积为34.5km²的数据采集及生产,并满足地籍精度要求,累计飞行230个架次。

  图33·部分测区模型成果图

  图34·部分测区模型成果细节(白模)

  图35·部分测区模型成果细节

  图36·部分测区地籍成果图

  2、福建南平地籍测量应用案例

  2018年5月,福州某测绘公司接到地籍项目需求,采用飞马智能航测系统D200在福建南平进行实验区精度验证,该测区由于房屋密集楼房较多影响GPS信号,无法大批量采用GPS-RTK进行外业数据采集;同时由于道路狭窄,遮挡物较多全站仪不能通视。因此采用无人机倾斜摄影进行数据获取是刚性需求。

  实验测区面积为0.18km²,根据现场情况外业飞行人员最终决定按照D200飞行90m、航向重叠率80%,旁向重叠70%飞行,获取分辨率1.4cm影像,飞行时间为29分钟,共获取7065张高分辨率影像。

  图37·试验区航线示意图

  图38·试验区模型效果

  图39·试验区模型细节图

  模型导入EPS与测区已有成果图进行套合,套合效果如图所示。

  图40·模型与线划图套合

  利用EPS在模型上选取房角点与测区已有点进行对比,经统计,中误差为4.1cm,满足地籍测量精度要求。内业人员基于EPS大面积矢量化,结合外业补测,最终得到地籍图成果,如下图所示。

  图41·地籍图成果

 
本文链接:https://www.81uav.cn/tech/201808/27/847.html
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