基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量及精度驗(yàn)證

馬 銀，鄭國(guó)強(qiáng)，姚國(guó)標(biāo)，史同廣

(山東建筑大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

地籍測(cè)量是在權(quán)屬調(diào)查的基礎(chǔ)上運(yùn)用測(cè)繪技術(shù)測(cè)定土地及其附著物的權(quán)屬、位置、數(shù)量、質(zhì)量和利用狀況等，為土地登記和核發(fā)證書提供依據(jù)，為地籍管理服務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的一項(xiàng)技術(shù)[1]。傳統(tǒng)大比例尺地籍測(cè)量主要有基于全站儀、基于GPS和RTK、基于遙感影像、基于車載三維激光掃描等方式，且均面臨成本高、效率低、成圖周期長(zhǎng)、成果單一等緊迫問(wèn)題[2]，本文在此背景下開展應(yīng)用研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作為國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)高新技術(shù)，傾斜攝影測(cè)量(Oblique Photogrammetry)因其能快速、高效獲取地面高分辨率、高重疊度及全視角的影像數(shù)據(jù)信息，近年來(lái)測(cè)繪領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行諸多探索[3]。該技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)從一個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同視角同步采集數(shù)據(jù)，顛覆傳統(tǒng)正射攝影從垂直角度進(jìn)行攝影的局限性[4-7]。該技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害應(yīng)急指揮、國(guó)土安全巡查、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)[7]，國(guó)內(nèi)主要把傾斜攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用在城市三維建模[8-9]、大比例尺地形圖繪制[10]、災(zāi)后建筑物損毀評(píng)估[11]等領(lǐng)域，而基于傾斜攝影測(cè)量的大比例尺地籍測(cè)量及其精度驗(yàn)證尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法難以滿足快速、高效、自動(dòng)化地籍成圖的實(shí)際需求，提出基于傾斜攝影測(cè)量的大比例尺地籍測(cè)量方法，研究該方法采集地物影像數(shù)據(jù)的具體技術(shù)參數(shù)和技術(shù)流程，并以海安縣黃陳村為例進(jìn)行精度檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果表明：傾斜攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用在大比例尺地籍測(cè)量中的數(shù)據(jù)精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且成圖效率顯著提高。

1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量是指相機(jī)主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向所獲取影像的過(guò)程[12-13]。

1.1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是地物影像數(shù)據(jù)外業(yè)采集所用設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。傾斜攝影技術(shù)運(yùn)用在地籍測(cè)量中的樣例較少，尚未出臺(tái)相關(guān)技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。山東建筑大學(xué)攝影測(cè)量與遙感實(shí)驗(yàn)室及其團(tuán)隊(duì)經(jīng)多次航飛試驗(yàn)，探索出一整套可行的低空航攝技術(shù)參數(shù)，在該技術(shù)參數(shù)的指導(dǎo)下，可快速獲取目標(biāo)區(qū)域高清影像數(shù)據(jù)，由此自動(dòng)生成的三維模型精細(xì)度高，便于裸眼采集地籍要素?cái)?shù)據(jù)，試驗(yàn)表明地籍?dāng)?shù)據(jù)精度符合國(guó)家地籍測(cè)量精度要求,技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影參數(shù)

其另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是野外像控點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)是傾斜攝影測(cè)量控制加密和測(cè)圖的基礎(chǔ)，因此，像控點(diǎn)位置選擇及指示點(diǎn)位的準(zhǔn)確程度，直接影響地籍測(cè)量成果的精度[14]。像片控制點(diǎn)布設(shè)有全野外布點(diǎn)和非全野外布點(diǎn)兩種方式，布點(diǎn)原則可以概括為：依航線或區(qū)域網(wǎng)整體布設(shè)，不受單個(gè)圖幅限制；盡量布設(shè)在相鄰像對(duì)和相鄰航線之間的重疊區(qū)域；選擇在地形相對(duì)平坦的地區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)，且周圍盡量沒(méi)有障礙物的遮擋(天頂距不小于45°角)；點(diǎn)位標(biāo)志要清晰可見(jiàn)，用紅色油漆標(biāo)志點(diǎn)位中心；保證交通便利，易于到達(dá)，且遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁輻射源等[15-17]。

1.2 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量流程

基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量流程，具體如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測(cè)量流程

1)首先要收集測(cè)區(qū)已有資料，包括地籍測(cè)量成果、控制點(diǎn)成果、地名資料等，并對(duì)資料進(jìn)行分析以保證對(duì)已知數(shù)據(jù)的最大利用；設(shè)置傾斜攝影測(cè)量側(cè)視鏡頭偏向、相機(jī)曝光、像片重疊度等參數(shù)，進(jìn)行航帶設(shè)計(jì)和航線鋪設(shè)；根據(jù)前期準(zhǔn)備編制項(xiàng)目設(shè)計(jì)書，明確項(xiàng)目?jī)?nèi)容及步驟。

2)依據(jù)像控點(diǎn)布設(shè)要求，逐個(gè)測(cè)區(qū)或航帶布設(shè)像控點(diǎn)；依照先前預(yù)設(shè)的航帶安排，進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集；檢查像片數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)像片質(zhì)量差的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛。

3)對(duì)像片進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理后的像片導(dǎo)入Context Capture軟件中，進(jìn)行空三加密，恢復(fù)影像外方位元素，生成密集點(diǎn)云和三維網(wǎng)格等工作，完成高精度實(shí)景三維模型建立；將三維模型導(dǎo)入EPS中，裸眼采集界址點(diǎn)、界址線、宗地范圍等地籍要素。

4)對(duì)于內(nèi)業(yè)裸眼采集地籍要素時(shí)遇到的疑問(wèn)作好記錄，交給外業(yè)技術(shù)人員實(shí)地進(jìn)行核查補(bǔ)測(cè)。

5)完成地籍要素的采集和補(bǔ)測(cè)后，對(duì)地籍圖做好分幅整飾工作，自檢和互檢后，移交質(zhì)監(jiān)部門檢查成果精度是否符合國(guó)家地籍測(cè)量相關(guān)技術(shù)規(guī)范指標(biāo)，達(dá)到技術(shù)要求方可進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)入庫(kù)。

2 試驗(yàn)及精度評(píng)定

2.1 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)獲取

依照山東建筑大學(xué)攝影測(cè)量與遙感實(shí)驗(yàn)室及其團(tuán)隊(duì)總結(jié)的技術(shù)參數(shù)和流程，選取海安縣黃陳村部分區(qū)域進(jìn)行地籍?dāng)?shù)據(jù)采集和精度評(píng)定。所選測(cè)區(qū)大約有85塊宗地，面積0.65 km2，地物類主要是房屋建筑、道路、耕地，地勢(shì)平坦，無(wú)復(fù)雜地形。選取晴朗、能見(jiàn)度高、風(fēng)力小的天氣，在9:00—16:00時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，保證像片無(wú)大面積云影、煙和反光等缺陷。將像片導(dǎo)入軟件中完成三維建模和地籍要素采集，成果圖如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維模型圖和地籍成果圖

2.2 精度評(píng)定

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，需要對(duì)成果圖進(jìn)行數(shù)學(xué)精度的驗(yàn)證，該試驗(yàn)從界址點(diǎn)點(diǎn)位和界址點(diǎn)間距兩個(gè)方面進(jìn)行精度評(píng)定。

2.2.1 精度評(píng)定方法

直方圖和正態(tài)分布曲線是常用的數(shù)據(jù)分布形態(tài)探索性分析方法，數(shù)據(jù)的探索性分析是挖掘數(shù)據(jù)深層含義的基礎(chǔ)和前提。借助直方圖和正態(tài)分布曲線對(duì)界址點(diǎn)點(diǎn)位誤差和間距誤差進(jìn)行探索性分析，探尋數(shù)據(jù)的分布狀況和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以對(duì)數(shù)據(jù)做深層次的分析奠定基礎(chǔ)。

地籍測(cè)量是一項(xiàng)具有政府行為的測(cè)繪工作，國(guó)家高度重視其精確性。國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布《國(guó)家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》GB/T 14268-2008，在此規(guī)范中明確界址點(diǎn)精度估算公式[18]；國(guó)土資源部發(fā)布《地籍測(cè)繪規(guī)程》TD/T 1001-2012，明確地籍界址點(diǎn)的精度要求，具體如表2所示[18]。

(1)

(2)

(3)

式中：di為同名點(diǎn)較差，ΔX為X坐標(biāo)不符值，ΔY為Y坐標(biāo)不符值，M等為等精度點(diǎn)位中誤差，n為選取的樣本數(shù)，M高為高精度點(diǎn)位中誤差。

表2 地籍界址點(diǎn)的精度 cm

2.2.2 精度評(píng)定結(jié)果分析

1)界址點(diǎn)點(diǎn)位精度評(píng)定結(jié)果分析。為保證界址點(diǎn)點(diǎn)位精度檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，依照“均勻分布”的原則在測(cè)區(qū)內(nèi)選取219個(gè)界址點(diǎn)做精度評(píng)定。對(duì)利用傾斜攝影進(jìn)行大比例尺地籍測(cè)量所獲界址點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，計(jì)算圖上獲取的點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)地對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)差值，分別得到X和Y軸方向誤差，通過(guò)分析誤差數(shù)據(jù)，有9個(gè)界址點(diǎn)誤差超限，因此有210個(gè)界址點(diǎn)參與數(shù)據(jù)分析。將X和Y軸誤差做成直方圖和正態(tài)曲線圖，如圖3所示。

圖3 X軸和Y軸誤差分布直方圖與正態(tài)曲線

由圖3可知：X和Y軸方向的誤差范圍均在-8～8 cm之間，體現(xiàn)了偶然誤差范圍的有界性；X軸方向的誤差主要分布在-2～4 cm，此區(qū)間共有179個(gè)界址點(diǎn)，占總數(shù)的85.23 %，而誤差在-8～-2 cm、4～8 cm 的界址點(diǎn)僅占總數(shù)的14.77 %，Y軸方向的誤差主要分布在-4～4 cm之間，此區(qū)間共有185個(gè)界址點(diǎn)，占總數(shù)的88.09 %，誤差在-8～-4 cm、4～8 cm的界址點(diǎn)僅占總數(shù)的11.91%，說(shuō)明偶然誤差存在聚中性，小誤差出現(xiàn)的概率大于大誤差出現(xiàn)的概率；X，Y軸的誤差分布均呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合偶然誤差分布規(guī)律。綜上所述：此210個(gè)界址點(diǎn)具有代表性，可進(jìn)一步做深層次分析研究。

根據(jù)式(1)～(3)進(jìn)行界址點(diǎn)點(diǎn)位高精度和等精度中誤差計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示(數(shù)據(jù)量大，只展示部分結(jié)果)。

表3 界址點(diǎn)點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)表 cm

界址點(diǎn)點(diǎn)位等精度中誤差:±2.3

界址點(diǎn)點(diǎn)位高精度中誤差：±3.3

計(jì)算可得界址點(diǎn)的點(diǎn)位等精度中誤差為±2.3 cm，高精度中誤差為±3.3 cm，均小于表2中級(jí)別要求的中誤差±5 cm，因此界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差滿足國(guó)家規(guī)范要求，通過(guò)實(shí)測(cè)冗余數(shù)據(jù)充分證明傾斜攝影測(cè)量可以在大比例地籍圖上應(yīng)用。

2)界址點(diǎn)間距精度評(píng)定結(jié)果分析。本試驗(yàn)選取30組界址點(diǎn)進(jìn)行間距精度評(píng)價(jià)，利用卷尺和鋼尺等測(cè)量工具實(shí)地測(cè)量界址點(diǎn)之間的距離數(shù)據(jù)，與大比例尺圖上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行較差計(jì)算。把較差做成直方圖和正態(tài)分布圖，如圖4所示。

圖4 界址點(diǎn)間距誤差直方圖與正態(tài)曲線

由圖4的直方圖和正態(tài)分布圖可知：界址點(diǎn)間距誤差范圍在-10～10 cm之間，符合偶然誤差有界性特征；誤差主要分布在-8～4 cm，此區(qū)間共有26組，占總數(shù)的86.67 %，誤差在-10～-8 cm、4～10 cm的界址點(diǎn)間距組數(shù)僅占總數(shù)的13.33 %，體現(xiàn)偶然誤差的集中性分布；且30組界址點(diǎn)間距誤差大體服從正態(tài)分布。綜上所述：此30組界址點(diǎn)間距誤差具有代表性，可進(jìn)一步做深層次分析研究。

利用式(2)、(3)進(jìn)行界址點(diǎn)間距中誤差評(píng)定(此時(shí)di是指圖上距離與實(shí)測(cè)距離之差)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

計(jì)算可得界址點(diǎn)間距等精度中誤差為±2.7 cm，高精度中誤差為±3.8 cm，均小于表2級(jí)別一所要求的中誤差±5 cm，因此界址點(diǎn)間距中誤差滿足國(guó)家規(guī)范要求，數(shù)據(jù)有效證明傾斜攝影測(cè)量在大比例地籍圖上應(yīng)用的可行性。

綜上所述：界址點(diǎn)點(diǎn)位和間距的高精度中誤差、等精度中誤差均可達(dá)到厘米級(jí)，符合國(guó)家地籍測(cè)量精度要求。結(jié)果表明，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可運(yùn)用于大比例尺地籍測(cè)量。

3 結(jié) 論

經(jīng)上述研究，本文得出如下結(jié)論：

1)在飛行高度80 m，側(cè)視鏡頭偏向45°，傾斜和垂直鏡頭焦距分別為35 mm和25 mm，旁向重疊度和航向重疊度設(shè)置為80%、85%，飛行速度為7 m/s時(shí)，可獲取分辨率為0.015 m的影像數(shù)據(jù)。

表4 界址點(diǎn)點(diǎn)位間距誤差統(tǒng)計(jì)表 cm

2)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)運(yùn)用在大比例尺地籍測(cè)量中的技術(shù)流程可以概括為“三內(nèi)二外”，在整個(gè)流程中需要三次質(zhì)量檢查，以確保數(shù)據(jù)精度，無(wú)人機(jī)傾斜攝影航飛參數(shù)和像控點(diǎn)布設(shè)是該流程中的兩大關(guān)鍵技術(shù)。

3)精度檢驗(yàn)結(jié)果表明，界址點(diǎn)點(diǎn)位等精度中誤差和高精度中誤差分別為±2.3 cm、±3.3 cm；界址點(diǎn)的間距等精度中誤差為±2.7 cm，高精度中誤差為±3.8 cm；均符合國(guó)家地籍測(cè)量精度要求。

綜上所述，傾斜攝影測(cè)量在大比例地籍測(cè)量中的精度可以達(dá)到厘米級(jí)，完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，這不僅為大比例尺地籍測(cè)量提供一種高效率、高精度、高性價(jià)比、低成本的新型測(cè)量手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)地籍測(cè)量方式的缺點(diǎn)和局限性，同時(shí)本研究還為傾斜攝影大比例尺地籍測(cè)量提供航飛技術(shù)參數(shù)和流程參考。