【技術】無人機大比例尺地籍測繪精度分析

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

[關鍵詞]無人機測繪;地籍測繪;界址點;地籍圖;精度穩(wěn)定性

0　引言

隨著無人機飛控系統(tǒng)的提升，目前市面測繪型無人機技術逐步走向成熟[1]，基于各種類型的無人機大比例尺測繪項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、機動靈活、成本低、周期短、適應性強、信息真實、質(zhì)量可靠等優(yōu)點[3]，無人機測繪應用范圍越來越廣。在大比例尺地形圖測繪方面，呂立蕾利用固定翼無人機分別測繪了1∶1000和1∶500地形圖，最終得出無人機可滿足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、地物點精度與GPSRTK精度對比，得出了與呂立蕾相似的結論[6]，因此，無人機測繪1∶1000地形圖精度可以滿足要求。隨著無人機應用的縱深發(fā)展，近年來無人機在地籍測繪中的應用也逐漸增多，宋亮利用無人機影像制作了調(diào)查底圖[7]，宋光浩等基于UX5無人機進行了地籍測繪初探，結果證明無人機測繪滿足1∶500農(nóng)村不動產(chǎn)測繪要求[8]。由于界址點是地籍測量的核心，因此地籍測繪中只要滿足界址點的精度，地籍圖的精度亦隨之滿足。在界址點精度方面，1994年國家測繪局頒布的《地籍測繪規(guī)范》設立一、二、三3個等級[9]，對應的中誤差要求分別為±0.05m，±0.10m和±0.15m，2007年二調(diào)時國土資源部頒發(fā)的《第二次全土地調(diào)查技術規(guī)程》，將界址點精度定位一、二2個等級[10]，相應的中誤差要求為±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》又將界址點恢復3個級別，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)查技術規(guī)程》而制定的新標準。本文基于新版《地籍調(diào)查規(guī)程》對界址點的要求，利用無人機進行了佛山某區(qū)地籍圖測繪，通過統(tǒng)計界址點中誤差和地物平面位置精度，對無人機地籍測繪精度做出評價。

1　無人機測繪

1.1　無人機航攝平臺

本次實驗選用的是中海達P500E八旋翼無人機，整機重量4.2kg，有效載重4.5kg，懸停15min，巡航時間40min，巡航速度10-22m/s，抗風能力10m/s，搭載Canon　5D攝影機，焦距35mm，無人機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)。航攝無人機如圖1所示。

圖1 地籍測繪無人機

1.2　像控點布設與飛行設計

無人機體積小、質(zhì)量輕，對氣流敏感，甚至在二級風中都能造成飛行攝動，導致姿態(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控制網(wǎng)的方式進行。控制測量采用佛山坐標系，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻測定11個E級控制點，平面及高程精度均為±2cm，控制點布設詳細情況如圖2中十字絲所示，其中6點作為控制點，其余5點為檢查點。飛行前在地面或圍護物上的界址點布設直徑200mm的硬塑白色圓盤，作為界址點標志。

航攝飛行時，先將筆記本連接通訊電臺，在eMotion2中設計飛行路線。實驗區(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，飛行前預先設計航線航向重疊度、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，航線及曝光點影像如圖2所示。

圖2 像控點與航攝航線

1.3　數(shù)字地籍圖采集

根據(jù)相機內(nèi)方位參數(shù)，在UASmaster軟件中新建工程項目，設置參數(shù)、添加地面控制點，進行POS輔助空中三角測量，通過無人機記錄的投影中心坐標和三軸姿態(tài)參數(shù)，解算每張航片的外方位元素，完成空三加密。對空三成果評價后，將原影像進行重采樣進而生成核線影像，利用影像匹配方法逐像素搜索同名點，由空間前方交會生成點云，點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，形成整個測區(qū)DOM。由于拍攝角度、色差、亮度和陰影的影響，無人機影像影像往往出現(xiàn)色差突變現(xiàn)象，因此必須對生成的DOM 進行勻光勻色處理。使之整體色調(diào)保持一致，無視角效應。

數(shù)據(jù)預處理后，將DOM 成果由Inpho導入到VituoZo2014數(shù)字攝影測量系統(tǒng)之中，設定測圖比例尺為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，采集點位要絕對選取地面界標標志中心;第二類是隱蔽界址點，通過交會方法間接獲取;第三類是出界址點以外的地物點，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，必須與現(xiàn)場草圖相吻合，否則精度很難達到要求。

2　精度分析方法

2.1　界址點精度

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

表1 界址點中誤差與允許誤差要求

2.2　地物點平面位置精度

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

為了評定無人機地籍測繪的精度穩(wěn)定性，這里采用一種帶權平均的方法評定無人機地籍測繪穩(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測繪精度的穩(wěn)定性。絕對精度占優(yōu)，是指點位相對于鄰近控制點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)所示的界址點和地物點平面位置精度的各自加權精度，其中a、b、c、d、e分別表示界址點相對于鄰近控制點點位誤差、相鄰界址點間距誤差、界址點相對于鄰近地物點的間距誤差、地物點相對于鄰近控制點的點位誤差、鄰近地物點的間距誤差這五項誤差單點誤差合格率評分(百分數(shù))，ω1 、ω2 、ω3 、ω4 、ω5 對應權重。采用加權方法評定精度穩(wěn)定性，可將不同精度指標進行歸一，有利于評價測繪方法的穩(wěn)定性。

3　實測精度分析

3.1　界址點精度分析

明顯界址點和地物點測繪方法相同，區(qū)別在于前者有地面標志物，且多布置在圍墻、柵欄、鐵絲網(wǎng)等地物之上，內(nèi)業(yè)繪圖須對準地面標志物中心。實驗中，測區(qū)內(nèi)總共布設地物點428個，界址點241個，其中明顯界址點199個，42個為隱蔽界址點。隱蔽界址點多被植被覆蓋，測繪時采用直角交會或距離交會方法，當采用距離交會時，利用2個測定點按照半徑求交的方法確定隱蔽點坐標。隨機抽取40個明顯界址點和20個隱蔽界址點，以地面控制點為基準，測繪抽取點平面坐標，將此坐標與全站儀測繪坐標作差，所得界址點中誤差如表3所示。

表3 界址點相對于鄰近控制點中誤差

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

3.2　其它精度要求與穩(wěn)定性分析

表3僅反映了界址點中誤差，在地籍測繪中，還包括相鄰界址點間距誤差、鄰近地物點的間距誤差、界址點相對于鄰近地物點的間距誤差、地物點相對于鄰近控制點的點位誤差四項誤差，對于前三項誤差，采用鋼尺精密量距的方法測定兩點水平距離，然后用兩點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;對于最后一項誤差，采用類似求取界址點中誤差的方法，計算其點位中誤差，反算到圖上后與表2要求作比較，四項誤差與界址點中誤差的最終統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 無人機地籍測繪精度統(tǒng)計

比較表4與表2，發(fā)現(xiàn)各項限差均滿足規(guī)范要求，為了評價無人機地籍測繪精度的穩(wěn)定性，并顧及相鄰界址點間距誤差、鄰近地物點的間距誤差、界址點相對于鄰近地物點的間距誤差、地物點相對于鄰近控制點的點位誤差四項誤差，采用2.3所述的帶權精度分析法計算界址點精度和地物平面位置精度進行分析。計算地籍測繪穩(wěn)定度時，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置，其結果如表5所示。

表5 無人機地籍測繪精度穩(wěn)定性分析

統(tǒng)計表5發(fā)現(xiàn)，ω1 、ω2 、ω3 比例對明顯界址點精度穩(wěn)定性無影響，依據(jù)經(jīng)驗，0.5、0.3、0.2是其合理比例，此時明顯界址點精度穩(wěn)定度為δ′mj =84%，不同ω1 、ω2 、ω3 值對隱蔽界址點精度穩(wěn)定度有小幅影響，0.7和0.3是其合理比例，此時隱蔽界址點精度穩(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，對應地物穩(wěn)定性為δ′md =84%，這表示無人機測繪明顯界址點的精度穩(wěn)定性與地物點一致，且可信度較高，而測繪隱蔽界址點則具有相對較低的穩(wěn)定度，表明應用無人機測繪隱蔽界址點存在較大風險性。

4　結論

本文基于無人機測繪技術進行了地籍測繪，并以界址點精度和地物平面位置精度為指標進行精度評定。通過對測繪成果進行抽樣精度檢查，發(fā)現(xiàn)明顯界址點精度可以達到二級精度要求，隱蔽界址點精度可達三級精度要求，地物平面位置精度完全符合規(guī)范要求。在穩(wěn)定性驗證中，發(fā)現(xiàn)隱蔽界址點精度穩(wěn)定性較差，因此應用無人機測繪隱蔽界址點精度不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)個別觀測誤差較大的情況。與常規(guī)數(shù)字地籍測繪相比，無人機測繪具有如下特點：

(1)無人機測繪機動靈活，自動化程度高，在效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法，但飛行前需布設界址點標志，且隱蔽點需要到現(xiàn)場勘察，因此實施完全獨立的無人機地籍測繪目前是不可行的。

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

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

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

參考文獻：略

來源：《北京測繪》2018年4月