【技術(shù)】無人機(jī)大比例尺地籍測繪精度分析

[摘　要]基于無人機(jī)測繪技術(shù)，文章進(jìn)行了無人機(jī)地籍測繪及其精度分析。在精度方面，將無人機(jī)地籍測繪精度分為明顯界址點(diǎn)測繪精度、隱蔽界址點(diǎn)測繪精度與地物點(diǎn)平面位置精度。通過對佛山某地區(qū)進(jìn)行1∶500地籍圖測繪，發(fā)現(xiàn)明顯界址點(diǎn)精度達(dá)到二級要求，隱蔽界址點(diǎn)精度達(dá)到三級要求，總體上滿足三級要求，地物點(diǎn)平面位置精度完全符合精度要求。通過精度穩(wěn)定性評價(jià)，發(fā)現(xiàn)明顯界址點(diǎn)和地物點(diǎn)精度穩(wěn)定性達(dá)到84%，而隱蔽界址點(diǎn)精度穩(wěn)定性只有75%，因此無人機(jī)地籍測繪存在一定的局限性，它僅適用于包含明顯界址點(diǎn)區(qū)域的低等級地籍測繪，而不適用于隱蔽界址點(diǎn)較多區(qū)域的地籍測繪，目前無人機(jī)地籍測繪尚無法獨(dú)立實(shí)施。

[關(guān)鍵詞]無人機(jī)測繪;地籍測繪;界址點(diǎn);地籍圖;精度穩(wěn)定性

0　引言

隨著無人機(jī)飛控系統(tǒng)的提升，目前市面測繪型無人機(jī)技術(shù)逐步走向成熟[1]，基于各種類型的無人機(jī)大比例尺測繪項(xiàng)目也如火如荼地展開[2]，取得了令人滿意的成果。憑借其快速高效、機(jī)動靈活、成本低、周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、信息真實(shí)、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]，無人機(jī)測繪應(yīng)用范圍越來越廣。在大比例尺地形圖測繪方面，呂立蕾利用固定翼無人機(jī)分別測繪了1∶1000和1∶500地形圖，最終得出無人機(jī)可滿足1∶1000比例尺測圖精度，而不滿足1∶500測圖精度[4]，劉聰?shù)热死脽o人機(jī)獲取了某鋁土礦1∶2000數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像[5]，李玉成等人通過空三測量精度與SDCORS對比、地物點(diǎn)精度與GPSRTK精度對比，得出了與呂立蕾相似的結(jié)論[6]，因此，無人機(jī)測繪1∶1000地形圖精度可以滿足要求。隨著無人機(jī)應(yīng)用的縱深發(fā)展，近年來無人機(jī)在地籍測繪中的應(yīng)用也逐漸增多，宋亮利用無人機(jī)影像制作了調(diào)查底圖[7]，宋光浩等基于UX5無人機(jī)進(jìn)行了地籍測繪初探，結(jié)果證明無人機(jī)測繪滿足1∶500農(nóng)村不動產(chǎn)測繪要求[8]。由于界址點(diǎn)是地籍測量的核心，因此地籍測繪中只要滿足界址點(diǎn)的精度，地籍圖的精度亦隨之滿足。在界址點(diǎn)精度方面，1994年國家測繪局頒布的《地籍測繪規(guī)范》設(shè)立一、二、三3個(gè)等級[9]，對應(yīng)的中誤差要求分別為±0.05m，±0.10m和±0.15m，2007年二調(diào)時(shí)國土資源部頒發(fā)的《第二次全土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將界址點(diǎn)精度定位一、二2個(gè)等級[10]，相應(yīng)的中誤差要求為±5cm和±7.5cm，精度有所提高，隨后2012年國土資源部頒布的《地籍調(diào)查規(guī)程》又將界址點(diǎn)恢復(fù)3個(gè)級別，其中誤差要求分別是±5cm、±7.5cm和±10.0cm[11]，這是綜合了《地籍測繪規(guī)范》和《第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程》而制定的新標(biāo)準(zhǔn)。本文基于新版《地籍調(diào)查規(guī)程》對界址點(diǎn)的要求，利用無人機(jī)進(jìn)行了佛山某區(qū)地籍圖測繪，通過統(tǒng)計(jì)界址點(diǎn)中誤差和地物平面位置精度，對無人機(jī)地籍測繪精度做出評價(jià)。

1　無人機(jī)測繪

1.1　無人機(jī)航攝平臺

本次實(shí)驗(yàn)選用的是中海達(dá)P500E八旋翼無人機(jī)，整機(jī)重量4.2kg，有效載重4.5kg，懸停15min，巡航時(shí)間40min，巡航速度10-22m/s，抗風(fēng)能力10m/s，搭載Canon　5D攝影機(jī)，焦距35mm，無人機(jī)航攝平臺包括飛攝系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)。航攝無人機(jī)如圖1所示。

圖1 地籍測繪無人機(jī)

1.2　像控點(diǎn)布設(shè)與飛行設(shè)計(jì)

無人機(jī)體積小、質(zhì)量輕，對氣流敏感，甚至在二級風(fēng)中都能造成飛行攝動，導(dǎo)致姿態(tài)不穩(wěn)定，因此為了提高精度，地籍測繪控制測量采用地面布設(shè)控制網(wǎng)的方式進(jìn)行。控制測量采用佛山坐標(biāo)系，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻測定11個(gè)E級控制點(diǎn)，平面及高程精度均為±2cm，控制點(diǎn)布設(shè)詳細(xì)情況如圖2中十字絲所示，其中6點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其余5點(diǎn)為檢查點(diǎn)。飛行前在地面或圍護(hù)物上的界址點(diǎn)布設(shè)直徑200mm的硬塑白色圓盤，作為界址點(diǎn)標(biāo)志。

航攝飛行時(shí)，先將筆記本連接通訊電臺，在eMotion2中設(shè)計(jì)飛行路線。實(shí)驗(yàn)區(qū)東部為低矮丘陵山腳，中西部較為平坦，是建筑集中區(qū)。該區(qū)域東西長150m，南北長120m，測區(qū)內(nèi)高差約25m，飛行前預(yù)先設(shè)計(jì)航線航向重疊度、旁向重疊度、飛行高度、基高比、分辨率等重要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)規(guī)范要求，此次飛行航高300m，航向重疊度70%，旁向重疊度65%，基高比0.39，影像對地分辨率GSD為0.05m，共拍攝404張航片，航線及曝光點(diǎn)影像如圖2所示。

圖2 像控點(diǎn)與航攝航線

1.3　數(shù)字地籍圖采集

根據(jù)相機(jī)內(nèi)方位參數(shù)，在UASmaster軟件中新建工程項(xiàng)目，設(shè)置參數(shù)、添加地面控制點(diǎn)，進(jìn)行POS輔助空中三角測量，通過無人機(jī)記錄的投影中心坐標(biāo)和三軸姿態(tài)參數(shù)，解算每張航片的外方位元素，完成空三加密。對空三成果評價(jià)后，將原影像進(jìn)行重采樣進(jìn)而生成核線影像，利用影像匹配方法逐像素搜索同名點(diǎn)，由空間前方交會生成點(diǎn)云，點(diǎn)云分類濾波后可得數(shù)字高程模型DEM。根據(jù)空三加密成果和測區(qū)的DEM，對影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，生成單幅數(shù)字正射影像DOM，單幅影像鑲嵌后，形成整個(gè)測區(qū)DOM。由于拍攝角度、色差、亮度和陰影的影響，無人機(jī)影像影像往往出現(xiàn)色差突變現(xiàn)象，因此必須對生成的DOM 進(jìn)行勻光勻色處理。使之整體色調(diào)保持一致，無視角效應(yīng)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將DOM 成果由Inpho導(dǎo)入到VituoZo2014數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)之中，設(shè)定測圖比例尺為1∶500，根據(jù)野外控制測量和空三成果，對影像進(jìn)行校正，測繪數(shù)字地籍圖。由于地籍圖圖式并不豐富，且研究目的在于探測地籍測繪的精度，因此在數(shù)字成圖過程中主要繪制三類要素，第一類是明顯界址點(diǎn)，采集點(diǎn)位要絕對選取地面界標(biāo)標(biāo)志中心;第二類是隱蔽界址點(diǎn)，通過交會方法間接獲取;第三類是出界址點(diǎn)以外的地物點(diǎn)，采集方法與數(shù)字測圖一致。數(shù)字測圖方法對精度影響較為明顯，尤其是隱蔽界址點(diǎn)，必須與現(xiàn)場草圖相吻合，否則精度很難達(dá)到要求。

2　精度分析方法

2.1　界址點(diǎn)精度

界址點(diǎn)點(diǎn)位精度是地籍測繪中所有精度中要求最高的，規(guī)范中通常用界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位精度表示。在地籍圖中，如果界址點(diǎn)精度符合規(guī)范要求，那么其它地籍要素和地物點(diǎn)的精度一定符合規(guī)范要求。根據(jù)《地籍調(diào)查規(guī)程》[11]，界址點(diǎn)點(diǎn)位精度包括一、二、三3個(gè)等級，對應(yīng)中誤差分別為±5.0、±7.5和±10.0，具體情況如表1所示。

表1 界址點(diǎn)中誤差與允許誤差要求

2.2　地物點(diǎn)平面位置精度

除了絕對精度指標(biāo)外，界址點(diǎn)還應(yīng)滿足一些相對指標(biāo)，這些指標(biāo)包括相鄰界址點(diǎn)間距誤差、界址點(diǎn)相對于鄰近地物點(diǎn)的間距誤差，其限差要求如表2所示。與地形圖點(diǎn)位精度類似，地物點(diǎn)平面位置精度是指地籍圖上非界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，由于是非界址點(diǎn)要素，因此地籍圖中對此類要素的精度要求并不高。地物點(diǎn)平面位置精度包括地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差和鄰近地物點(diǎn)的間距誤差，兩項(xiàng)限差精度要求較界址點(diǎn)要求低得多，如在1∶500的地籍圖中，地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±25cm，遠(yuǎn)小于表1所示的三級界址點(diǎn)要求±10cm。根據(jù)《地籍調(diào)查規(guī)程》，地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差和鄰近地物點(diǎn)的間距誤差具體要求如表2所示。

表2 地籍圖平面位置精度

2.3　精度分析法

為了評定無人機(jī)地籍測繪的精度穩(wěn)定性，這里采用一種帶權(quán)平均的方法評定無人機(jī)地籍測繪穩(wěn)定程度，采用絕對精度占優(yōu)、相對精度次優(yōu)的比例原則評定無人機(jī)測繪精度的穩(wěn)定性。絕對精度占優(yōu)，是指點(diǎn)位相對于鄰近控制點(diǎn)精度所占評分比重大，相對精度次優(yōu)，指的是間距精度評分所占比重少，依據(jù)以上方法，可得如公式(1)所示的界址點(diǎn)和地物點(diǎn)平面位置精度的各自加權(quán)精度，其中a、b、c、d、e分別表示界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)點(diǎn)位誤差、相鄰界址點(diǎn)間距誤差、界址點(diǎn)相對于鄰近地物點(diǎn)的間距誤差、地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差、鄰近地物點(diǎn)的間距誤差這五項(xiàng)誤差單點(diǎn)誤差合格率評分(百分?jǐn)?shù))，ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 對應(yīng)權(quán)重。采用加權(quán)方法評定精度穩(wěn)定性，可將不同精度指標(biāo)進(jìn)行歸一，有利于評價(jià)測繪方法的穩(wěn)定性。

3　實(shí)測精度分析

3.1　界址點(diǎn)精度分析

明顯界址點(diǎn)和地物點(diǎn)測繪方法相同，區(qū)別在于前者有地面標(biāo)志物，且多布置在圍墻、柵欄、鐵絲網(wǎng)等地物之上，內(nèi)業(yè)繪圖須對準(zhǔn)地面標(biāo)志物中心。實(shí)驗(yàn)中，測區(qū)內(nèi)總共布設(shè)地物點(diǎn)428個(gè)，界址點(diǎn)241個(gè)，其中明顯界址點(diǎn)199個(gè)，42個(gè)為隱蔽界址點(diǎn)。隱蔽界址點(diǎn)多被植被覆蓋，測繪時(shí)采用直角交會或距離交會方法，當(dāng)采用距離交會時(shí)，利用2個(gè)測定點(diǎn)按照半徑求交的方法確定隱蔽點(diǎn)坐標(biāo)。隨機(jī)抽取40個(gè)明顯界址點(diǎn)和20個(gè)隱蔽界址點(diǎn)，以地面控制點(diǎn)為基準(zhǔn)，測繪抽取點(diǎn)平面坐標(biāo)，將此坐標(biāo)與全站儀測繪坐標(biāo)作差，所得界址點(diǎn)中誤差如表3所示。

表3 界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)中誤差

表3可知，無人機(jī)測繪明顯界址點(diǎn)中誤差為±7.3cm，小于表1中二級精度要求±7.5cm;而隱蔽點(diǎn)界址點(diǎn)精度為±9.6cm，小于表1要求的±10.0cm，因此無人機(jī)地籍測繪可滿足規(guī)范要求，但由于隱蔽界址點(diǎn)中誤差較大，因此無人機(jī)測繪界址點(diǎn)只能滿足規(guī)范最低要求。

3.2　其它精度要求與穩(wěn)定性分析

表3僅反映了界址點(diǎn)中誤差，在地籍測繪中，還包括相鄰界址點(diǎn)間距誤差、鄰近地物點(diǎn)的間距誤差、界址點(diǎn)相對于鄰近地物點(diǎn)的間距誤差、地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差四項(xiàng)誤差，對于前三項(xiàng)誤差，采用鋼尺精密量距的方法測定兩點(diǎn)水平距離，然后用兩點(diǎn)反算距離與此水平距離作差，將其差值按比例尺反算到圖面，得到圖上中誤差;對于最后一項(xiàng)誤差，采用類似求取界址點(diǎn)中誤差的方法，計(jì)算其點(diǎn)位中誤差，反算到圖上后與表2要求作比較，四項(xiàng)誤差與界址點(diǎn)中誤差的最終統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 無人機(jī)地籍測繪精度統(tǒng)計(jì)

比較表4與表2，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)限差均滿足規(guī)范要求，為了評價(jià)無人機(jī)地籍測繪精度的穩(wěn)定性，并顧及相鄰界址點(diǎn)間距誤差、鄰近地物點(diǎn)的間距誤差、界址點(diǎn)相對于鄰近地物點(diǎn)的間距誤差、地物點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位誤差四項(xiàng)誤差，采用2.3所述的帶權(quán)精度分析法計(jì)算界址點(diǎn)精度和地物平面位置精度進(jìn)行分析。計(jì)算地籍測繪穩(wěn)定度時(shí)，ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 取值依據(jù)“絕對精度占優(yōu)、相對精度次優(yōu)的原則”，分別按小差比例、中差比例和大差比例設(shè)置，其結(jié)果如表5所示。

表5 無人機(jī)地籍測繪精度穩(wěn)定性分析

統(tǒng)計(jì)表5發(fā)現(xiàn)，ω1 、ω2 、ω3 比例對明顯界址點(diǎn)精度穩(wěn)定性無影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，0.5、0.3、0.2是其合理比例，此時(shí)明顯界址點(diǎn)精度穩(wěn)定度為δ′mj =84%，不同ω1 、ω2 、ω3 值對隱蔽界址點(diǎn)精度穩(wěn)定度有小幅影響，0.7和0.3是其合理比例，此時(shí)隱蔽界址點(diǎn)精度穩(wěn)定度δ′mj =75%。不同的 ω4 、ω5 值對地物平面精度穩(wěn)定度影響極小，其合理比例為0.7和0.3，對應(yīng)地物穩(wěn)定性為δ′md =84%，這表示無人機(jī)測繪明顯界址點(diǎn)的精度穩(wěn)定性與地物點(diǎn)一致，且可信度較高，而測繪隱蔽界址點(diǎn)則具有相對較低的穩(wěn)定度，表明應(yīng)用無人機(jī)測繪隱蔽界址點(diǎn)存在較大風(fēng)險(xiǎn)性。

4　結(jié)論

本文基于無人機(jī)測繪技術(shù)進(jìn)行了地籍測繪，并以界址點(diǎn)精度和地物平面位置精度為指標(biāo)進(jìn)行精度評定。通過對測繪成果進(jìn)行抽樣精度檢查，發(fā)現(xiàn)明顯界址點(diǎn)精度可以達(dá)到二級精度要求，隱蔽界址點(diǎn)精度可達(dá)三級精度要求，地物平面位置精度完全符合規(guī)范要求。在穩(wěn)定性驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)隱蔽界址點(diǎn)精度穩(wěn)定性較差，因此應(yīng)用無人機(jī)測繪隱蔽界址點(diǎn)精度不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)個(gè)別觀測誤差較大的情況。與常規(guī)數(shù)字地籍測繪相比，無人機(jī)測繪具有如下特點(diǎn)：

(1)無人機(jī)測繪機(jī)動靈活，自動化程度高，在效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法，但飛行前需布設(shè)界址點(diǎn)標(biāo)志，且隱蔽點(diǎn)需要到現(xiàn)場勘察，因此實(shí)施完全獨(dú)立的無人機(jī)地籍測繪目前是不可行的。

(2)精度低于傳統(tǒng)地面測繪，明顯界址點(diǎn)僅能達(dá)到二級要求，隱蔽界址點(diǎn)僅能達(dá)到三級要求，因此無人機(jī)地籍測量僅能滿足三級界址點(diǎn)測量精度，二級及其以上等級測量無法滿足。

(3)由于隱蔽點(diǎn)測繪精度不穩(wěn)定，因此無人機(jī)地籍測繪最佳方案是僅測繪明顯界址點(diǎn)，隱蔽點(diǎn)由地面測量完成。

綜上，無人機(jī)地籍測繪存在兩大瓶頸，其一是測繪精度較低，其二是地面隱蔽點(diǎn)無法直接測量，導(dǎo)致無人機(jī)難以單獨(dú)完成復(fù)雜條件下地籍測繪。隨著測量型無人機(jī)測繪精度的提高和傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，將來無人機(jī)地籍測繪有望逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)測繪技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：略

來源：《北京測繪》2018年4月