基于傾斜攝影和LiDAR融合的不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量應(yīng)用研究

丁智奇，趙文軍，李俊鋒

（1.陜西鑫雅圖空間信息技術(shù)有限公司，陜西 西安 710199；2.陜西測(cè)繪地理信息局，陜西 西安 710054）

地籍測(cè)量是確定每一宗土地的權(quán)屬、界線、面積和位置等情況，形成地籍圖等資料，是登記發(fā)證管理土地權(quán)屬的基礎(chǔ)[1]。不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查是在地籍測(cè)量的前提下，以宗地或是宗海為基礎(chǔ)，充分利用已存在的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查、登記與前期審批等成果資料，以已存在的集體土地所有權(quán)地籍圖、影像圖為工作底圖，采用內(nèi)外業(yè)核實(shí)、實(shí)地調(diào)查測(cè)量的方式，實(shí)施不動(dòng)產(chǎn)權(quán)屬調(diào)查與不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量等方面的工作[2]。

目前常用的傳統(tǒng)權(quán)籍測(cè)量方法[3]是全站儀與GPSRTK 組合測(cè)量方法，雖然使用此方法能滿足不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查工作基本要求，但無(wú)論從作業(yè)效率、從耗費(fèi)的人工上，還是從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃上，都不能滿足要求。

近些年，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用到了地籍測(cè)量及不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中，彌補(bǔ)了常規(guī)測(cè)量的一些不足之處。依托陜南某地地籍和不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)出了一套結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的混合作業(yè)新方案。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)都有高效率的優(yōu)點(diǎn)，其中地面三維激光掃描技術(shù)不管在效率和精度上都優(yōu)于傳統(tǒng)的作業(yè)模式，但其無(wú)法全面獲取建筑物頂部信息[4]，而無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)恰好在獲取建筑物頂部信息上有優(yōu)勢(shì)，很全面。結(jié)合這兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，能從不同視角保證數(shù)據(jù)的密集程度，極大程度減少了測(cè)量死角，從而全面的獲取了完整的信息采集數(shù)據(jù)，保證成果的精度。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)制作

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近十幾年快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，它突破了正射影像垂直單一角度拍攝的局限，同一個(gè)飛行平臺(tái)上可以同時(shí)搭載多臺(tái)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)一垂直、四傾斜等5 個(gè)不同的角度同時(shí)進(jìn)行影像采集，最終獲取到建筑物頂面以及側(cè)面的高分辨率紋理信息[5]。它不但能夠反映真實(shí)的地物情況，還可以獲取高精度的方位與紋理信息，最終形成真實(shí)的三維立體模型。該技術(shù)目前已經(jīng)在國(guó)土安全、應(yīng)急指揮、房產(chǎn)稅收城市管理、等行業(yè)得以廣泛應(yīng)用[6]。

本文采用國(guó)內(nèi)主流的傾斜攝影自動(dòng)建模系統(tǒng)Smart 3D 進(jìn)行真三維模型的制作，生成真三維模型。模型成果所有建筑物的空間關(guān)系和紋理，均采用分層顯示技術(shù)（LOD），對(duì)計(jì)算機(jī)配置無(wú)要求，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，支持多種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和輸出。具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 Smart 3D 傾斜攝影真三維自動(dòng)建模技術(shù)流程

1.1 像片控制測(cè)量

像片控制測(cè)量是在測(cè)區(qū)內(nèi)實(shí)地測(cè)定像片控制點(diǎn)平面位置和高程信息，這些信息主要用于空中三角測(cè)量或測(cè)圖定向[7]。常用的像控布點(diǎn)方案主要有全野外布點(diǎn)、非全野外布點(diǎn)和特殊情況布點(diǎn)等方案。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

設(shè)備：多旋翼無(wú)人機(jī)。

航飛分區(qū)：以硬化路面為分界線，劃分子測(cè)區(qū)。

航攝時(shí)間：上午9：00 至下午16：00 之間。

相對(duì)航高：100 m 左右。

航飛重疊率：航向重疊度和旁向重疊度均大于75%。

航飛數(shù)據(jù)檢查：照片成像清晰，無(wú)大面積云影、煙和反光、污點(diǎn)等缺陷，滿足影像質(zhì)量要求，可直換用于實(shí)景三維建模環(huán)節(jié)。

1.3 實(shí)景三維建模

實(shí)景三維建模采用國(guó)內(nèi)主流的傾斜攝影自動(dòng)建模系統(tǒng)Smart 3D 進(jìn)行真三維模型的制作，該系統(tǒng)是基于攝影測(cè)量原理，對(duì)大重疊度的傾斜影像進(jìn)行空三加密，密集匹配等過(guò)程，最終生成真三維模型[8]。模型成果可以真實(shí)反映有建筑物間的空間位置關(guān)系與紋理特征，LOD 分層多達(dá)20 層以上，這樣不僅可以滿足在任何配置的計(jì)算機(jī)上流暢地加載地物模型，建筑物的細(xì)部特征也能得到詳細(xì)的表達(dá)。

1.4 數(shù)據(jù)采集

采用EPS 軟件平臺(tái)的三維測(cè)圖模塊對(duì)測(cè)區(qū)正射影像數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)加載的基礎(chǔ)上，采用二三維聯(lián)動(dòng)模式完成數(shù)據(jù)采集與更新工作。

1.5 外業(yè)補(bǔ)測(cè)

1）若測(cè)區(qū)地物遮擋嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)的實(shí)景三維模型會(huì)存在局部變形、模糊，從而導(dǎo)致部分地物要素不能準(zhǔn)確進(jìn)行采集，需外業(yè)補(bǔ)測(cè)完成這部分地物要素采集。

2）地物的部分屬性信息（路名等注記信息）無(wú)法獲取，需外業(yè)補(bǔ)測(cè)補(bǔ)充完成。

1.6 內(nèi)業(yè)編輯整理及出圖

結(jié)合上述外業(yè)補(bǔ)測(cè)及調(diào)繪成果，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理，最終編制地籍圖（圖2）。

成果輸出支持多種格式，如DWG 或MDB。

圖2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)編制地籍圖成果

2 三維傾斜實(shí)景模型融合三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

三維傾斜是將三維融合三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)混合作業(yè)模式下，地面三維激光掃描儀是其中最重要的設(shè)備之一，它的工作效率和精度直換決定了這種作業(yè)模式下的效率和主要精度。本文三維激光掃描采用徠卡RTC360 進(jìn)行掃描和拍攝全景影像。具體技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)流程

2.1 實(shí)地踏勘

經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，了解測(cè)區(qū)的地理概況及房屋分布情況。測(cè)區(qū)若房屋比較密集，選擇通視效果佳的位置布設(shè)控制點(diǎn)進(jìn)行GPS 測(cè)量，或在建筑物上布設(shè)標(biāo)靶。通過(guò)在控制點(diǎn)上和建筑物上設(shè)置標(biāo)靶，利用后方交會(huì)原理得到標(biāo)靶坐標(biāo)為點(diǎn)云拼換提供基礎(chǔ)。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用自由架站徠卡RTC360 進(jìn)行掃描和拍攝全景影像，用于后續(xù)作圖參考，開(kāi)啟VIS 視覺(jué)追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼換。在平板電腦上實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)遺漏缺失。對(duì)于個(gè)別采集不到的區(qū)域（如院落遮擋無(wú)法進(jìn)入且遠(yuǎn)處采集不通視的情況），可通過(guò)傾斜攝影測(cè)量方式獲取。

2.3 點(diǎn)云導(dǎo)入和拼接

通過(guò)自帶的工業(yè)級(jí)固態(tài)U 盤(pán)將點(diǎn)云直換將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Register 360 軟件，大大減少數(shù)據(jù)傳輸拷貝時(shí)間，Cyclone Register 360 軟件實(shí)現(xiàn)一鍵導(dǎo)入，同時(shí)完成智能拼換，利用VIS 視覺(jué)追蹤技術(shù)及IMU 慣導(dǎo)等多種傳感器，RTC360 在軟件中能夠?qū)崿F(xiàn)多站點(diǎn)云的自動(dòng)拼換，精度高，速度快，減少人工干預(yù)。利用控制點(diǎn)坐標(biāo)及觀測(cè)到的標(biāo)靶，轉(zhuǎn)換點(diǎn)云為絕對(duì)坐標(biāo)，軟件生成的精度檢核報(bào)告能夠查看，點(diǎn)云整體和各站點(diǎn)間的拼換誤差，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信。

導(dǎo)入結(jié)束后，全部點(diǎn)云已經(jīng)自動(dòng)拼換好。檢查拼換精度，構(gòu)建閉合環(huán)，優(yōu)化點(diǎn)云整體拼換精度，優(yōu)化后的點(diǎn)云拼換精度在可控在5 mm 以內(nèi)。

2.4 繪制成圖

在EPS 中通過(guò)加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù)（圖4），可以清晰直觀的判讀地形地物的真實(shí)位置及結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)切片工具以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為依托，獲取建筑物每層結(jié)構(gòu)高精度的輪廓。提高工作效率及成圖精度，在EPS 軟件中，三維瀏覽最真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，準(zhǔn)確捕捉到每一個(gè)界址點(diǎn)，即可繪制1∶500 房屋地籍圖，查看四至地物地類(lèi)，添加屬性信息，使成果滿足專(zhuān)業(yè)要求。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù)融合

2.5 作業(yè)優(yōu)勢(shì)

1）環(huán)境要求。RTC360 作業(yè)無(wú)需過(guò)多要求，高樓遮擋，區(qū)域狹小等環(huán)境下依舊正常作業(yè)，無(wú)需整平，隨搬隨測(cè)，設(shè)站位置靈活，減少數(shù)據(jù)盲區(qū)。不再有GPS 等待信號(hào)，全站儀不停搬站、立鏡困難等情況。

2）數(shù)據(jù)成果。不再是單點(diǎn)或單線的呈現(xiàn)，而是三維真實(shí)的還原整體，每一個(gè)地物，細(xì)節(jié)都清晰可見(jiàn)，建筑縫隙、高壓桿、變壓器、宗地四至毫無(wú)遺漏，墻體轉(zhuǎn)彎、走向、對(duì)換方式直觀明了。外業(yè)作業(yè)不再需要點(diǎn)號(hào)代碼，非現(xiàn)場(chǎng)人員也能順利準(zhǔn)確繪圖，真正優(yōu)化項(xiàng)目流程，縮短工期。

3）作業(yè)效率。與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，RTC360 作業(yè)僅需單人操作，大大減少了人力的投入，單站僅需半分鐘左右，作業(yè)范圍約大，測(cè)站數(shù)越多，整體效率提升越明顯。數(shù)據(jù)獲取速度是傳統(tǒng)作業(yè)速度的4 倍以上，作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 RTC360 作業(yè)效率統(tǒng)計(jì)詳情

3 三維傾斜實(shí)景模型融合三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本文以陜南某地做為試驗(yàn)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體技術(shù)路線如圖5 所示。

圖5 技術(shù)路線流程圖

3.1 測(cè)區(qū)范圍選擇

本文選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)為陜南某地，“地籍和不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查”工作涉及0.25 km2，預(yù)估宗地?cái)?shù)150 宗。測(cè)區(qū)范圍如圖6 所示。

圖6 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)范圍

3.2 儀器設(shè)備選擇

測(cè)區(qū)有密集房屋與規(guī)則分布小區(qū)，常規(guī)RTK 受信號(hào)干擾不能滿足要求，采用全站儀采集速度慢，效率低。徠卡RTC360 具有輕快便攜，操作簡(jiǎn)單，適用于各種場(chǎng)景，效率高，精度好等優(yōu)勢(shì)。最終采用徠卡RTC360 方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和根據(jù)點(diǎn)云成圖。

3.3 地籍圖繪制實(shí)驗(yàn)

3.3.1 踏勘與測(cè)區(qū)區(qū)域塊劃分

對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘，制定合理的掃描路線。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際查看，將該區(qū)域劃分為7 塊區(qū)域分塊進(jìn)行作業(yè)。測(cè)區(qū)區(qū)域塊分布情況如圖7 所示。

3.3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

布設(shè)掃描站點(diǎn)，兩站間距約15～25 m，掃描分辨率設(shè)置為低分辨率。整個(gè)測(cè)區(qū)共采集280 站，數(shù)據(jù)量大小約30 G，外業(yè)共用時(shí)7 h。另外，現(xiàn)場(chǎng)利用RTK測(cè)得臨時(shí)控制點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)，并通過(guò)標(biāo)靶和控制點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)。

圖7 測(cè)區(qū)區(qū)域塊分布圖

3.3.3 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云預(yù)處理

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及拼換。將原始點(diǎn)云導(dǎo)入Cyclone中，數(shù)據(jù)導(dǎo)入即完成拼換（如圖8 所示）。點(diǎn)云自動(dòng)拼換后，分塊點(diǎn)云拼換精度2～4 mm，整體點(diǎn)云拼換精度由于1 cm。

圖8 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入與拼接示例圖

2）絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。檢查點(diǎn)云中的標(biāo)靶中心點(diǎn)名稱(chēng)和現(xiàn)場(chǎng)RTK 測(cè)量的控制點(diǎn)名稱(chēng)一一對(duì)應(yīng)，確保無(wú)誤。將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)。

3.3.4 繪制成圖

在AutoCAD 中利用CloudWorx for AutoCAD 插件直換調(diào)取Cyclone 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單方便，縮短了跨平臺(tái)使用點(diǎn)云的時(shí)間（圖9）。

插件支持在自定義坐標(biāo)系調(diào)整、任意軸線任意高度切片。

圖9 地籍圖繪制成果示例圖

3.3.5 精度驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)用全站儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)與成果進(jìn)行對(duì)比，精度統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

從表中可以看出，徠卡RTC360 與全站儀對(duì)比最大偏差為3 cm，平均偏差為1 cm，滿足地籍測(cè)量5 cm要求。

表2 RTC360 作業(yè)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文依托陜南某地地籍和不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的混合作業(yè)新方案，通過(guò)基于2 種技術(shù)融合成果的地籍圖繪制實(shí)驗(yàn)，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）地籍測(cè)量引入傾斜攝影測(cè)量+實(shí)景三維建模技術(shù)，融合三維激光掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，還原了不動(dòng)產(chǎn)三維的本質(zhì)，讓產(chǎn)權(quán)內(nèi)容表達(dá)更加直觀準(zhǔn)確。不僅大大的提高了工作效率（數(shù)據(jù)獲取速度是傳統(tǒng)作業(yè)速度4 倍以上）及數(shù)據(jù)采集精度（界址點(diǎn)誤差小于3 公分），解決了不動(dòng)產(chǎn)登記耗時(shí)長(zhǎng)、辦理難、落宗關(guān)聯(lián)速度慢、信息定位不準(zhǔn)確問(wèn)題。把傾斜攝影三維成果和已有的二維地籍、房產(chǎn)樓盤(pán)表數(shù)據(jù)集成到三維GIS 進(jìn)行展示，在滿足對(duì)復(fù)雜空間數(shù)據(jù)管理與登記需求的同時(shí)，對(duì)于不動(dòng)產(chǎn)周?chē)匚铿F(xiàn)狀的反映也真實(shí)、更直觀。

2）陜南某地地籍和不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益充分證明了地面激光掃描結(jié)合傾斜攝影技術(shù)這種新的混合作業(yè)模式的先進(jìn)性，值得在行業(yè)中推廣應(yīng)用。該方法所生產(chǎn)的三維數(shù)據(jù)成果也更能順應(yīng)慧城市建設(shè)的要求，可推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)、林業(yè)、礦業(yè)、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。地面三維激光掃描技術(shù)結(jié)合傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的混合作業(yè)模式也必將給內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，點(diǎn)云加傾斜模型多源數(shù)據(jù)混合內(nèi)業(yè)采集將成為常態(tài)。