傾斜攝影測量法在“房地一體”項目中的技術(shù)研究

劉 東

（廣東省地圖院，廣東 廣州 510075）

0.引言

在測繪領(lǐng)域，傾斜攝影技術(shù)是一項正在快速發(fā)展的新型信息采集技術(shù)[1]。隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，實景三維模型重建的精度也隨之提高，逐漸具備了內(nèi)業(yè)高精度測圖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，能支持實景三維模型數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)聯(lián)動的測圖軟件也日益成熟起來，基于傾斜攝影測量實景三維模型進行裸眼采集的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)已成為現(xiàn)實。本文基于以上技術(shù)，根據(jù)《廣東省“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地權(quán)籍調(diào)查技術(shù)指南》對傾斜攝影測量法的精度要求，提出了總體的技術(shù)方案并對關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1.總體技術(shù)方案

傾斜攝影測量法在“房地一體”工作中應(yīng)用的總體流程主要包括為傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、實景三維模型重建和三維立體測圖三個重要部分（如圖1所示）。傾斜攝影部分主要包括航區(qū)規(guī)劃、像控點布設(shè)與測量和無人機傾斜航拍；實景三維模型重建主要包括空中三角測量和模型重建；測圖部分包括基于構(gòu)建的實景三維模型進行利用相應(yīng)軟件進行三維立體測圖和利用傳統(tǒng)測量方法[2]進行外業(yè)補測及成果更新。

圖1 總體流程圖

2.關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 傾斜數(shù)據(jù)獲取

實景三維模型的質(zhì)量和精度取決于多方面因素。為保證高質(zhì)量、逼真的三維建模效果[3]，需要從攝影設(shè)備選型、影像獲取、數(shù)據(jù)處理各方面進行質(zhì)量控制。

（1）傾斜攝影平臺選擇。傾斜攝影平臺由無人機和傾斜攝影鏡頭組成。無人機的選擇要注意選擇飛行姿態(tài)穩(wěn)定、帶RTK定位、且飛行時長較長的品牌及型號；傾斜攝影鏡頭可選擇當前流行的五鏡頭攝影儀，傾斜攝影鏡頭要具備高像素、成像良好、拍攝穩(wěn)定不丟片和數(shù)據(jù)便于導(dǎo)出等特性；

（2）分辨率與航高設(shè)計。設(shè)置恰當分辨率精度和飛行高度是確保實景三維模型精度的關(guān)鍵。航攝分辨率精度設(shè)置過高、飛行高度太低均會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，造成不必要的資源浪費；分辨率精度設(shè)置過低、飛行高度太高又會導(dǎo)致精度不夠，因此要根據(jù)應(yīng)用需求和鏡頭參數(shù)推算合理的分辨率與航高，計算公式如式（1）所示：

式中，H為攝影航高，單位為米（m）；f為鏡頭焦距，單位為毫米（mm）；a為像元尺寸，單位為毫米（mm）；GSD為地面分辨率，單位為米（m）。

（3）航攝時間選擇。航攝影像的成圖質(zhì)量與航攝時間有直接關(guān)系。不同航攝時段生產(chǎn)的實景三維模型，陰影下和非陰影下的同名點精度誤差較大。因此，航攝最好在晴天進行，盡量避開建筑物陰影較大的時段，航攝完成后應(yīng)及時對數(shù)據(jù)進行備份整理并進行初檢，有質(zhì)量問題的區(qū)域要及時補攝。

2.2 像控點布設(shè)與測量

像控點布設(shè)是空中三角測量的基礎(chǔ)，其測量精度、布設(shè)密度和分布直接影響成果精度。雖然有傾斜攝影平臺廠商宣稱可以實現(xiàn)免像控實現(xiàn)厘米級精度。實踐結(jié)果表明，在特定條件下局部區(qū)域可以達到此精度，但無法保證整個測區(qū)的精度要求。

像控點布設(shè)時可參考《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》（GBT 23236-2009）[4]，如，受測區(qū)地形等條件限制，可采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點。利用目前主流的測繪級無人機和億級像素五鏡頭相機組成的傾斜攝影平臺進行實驗，像控點參照100m－150m間進行布設(shè)，可基本保障厘米級的測繪精度。由于空中三角測量的精度最弱點主要位于測區(qū)邊緣，因此要特別加強測區(qū)邊角的控制，測區(qū)范圍的凹角轉(zhuǎn)折處或凸角轉(zhuǎn)折處應(yīng)加設(shè)像控點以改善測區(qū)四周的精度。

像控點實測時，先利用網(wǎng)絡(luò)RTK測定了像控點的三維坐標，統(tǒng)一按照內(nèi)角測量，像控點的平面坐標和高程精度要精確到0.01m，測量時進行了兩次初始化。每次觀測歷元數(shù)不少于100個，采樣間隔1s；數(shù)據(jù)采集設(shè)置單次觀測的平面收斂精度不大于0.02m，高程收斂精度不大于0.03m。為了便于內(nèi)業(yè)空三測量中順利找到并能準確刺入像控點和檢查點，做像控時，地面標志應(yīng)使用與地面有明顯色差的噴漆按L形噴涂，標志大小可按寬約0.3m、邊長約0.8m，拐角須清晰可見。像控點測量完成要做好點之記。

2.3 空中三角測量與實景三維重建

空中三角測量以優(yōu)化影像相對位置和絕對位置為目的，是實景三維模型重建的重要前置過程，主要包括影像匹配和平差兩個步驟?？罩腥菧y量平差前要把每個像控點和檢查點準確刺入一定數(shù)量的影像中，數(shù)量一般不低于20張?？杖讲钸^程采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差法，區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)束后，可在3D視圖窗口中查看匹配點分布情況，空中三角測量處理完后即可進行實景三維重建，重建的過程包含自動影像密集匹配和紋理自動映射兩個過程。影像密集匹配是攝影測量的重要問題之一，軟件根據(jù)空三加密成果，通過多視影像密集匹配自動獲取影像上同名點坐標，從而獲得地物三維信息[5]。紋理自動映射由通過自動影像密集匹配獲取的大量點云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），TIN構(gòu)成白模，軟件自動計算出對應(yīng)的紋理，并將紋理映射到對應(yīng)的白膜上，由此生成基于傾斜影像紋理的“全要素、全紋理”的真實三維場景。

2.4 計算集群的應(yīng)用

因?qū)嵕叭S模型生產(chǎn)數(shù)據(jù)和計算量龐大，為降低時間消耗，可采用計算集群解決方案，將同一個工程分配到多臺計算機進行并行處理。計算集群的關(guān)鍵部件為高性能計算機、交換機和磁盤存儲器。因計算機CPU性能對“空三”計算速度影響極大，電腦顯卡性能對建模速度影響極大，因此要選用CPU和顯卡性能均高的計算機。集群內(nèi)的計算機要通過網(wǎng)絡(luò)訪問集中在磁盤存儲器中的數(shù)據(jù)，因此可選擇性能穩(wěn)定、高帶寬的NAS存儲器。如，計算機數(shù)量較多時，應(yīng)使用萬兆接口的NAS存儲器和交換機，否則數(shù)據(jù)傳輸會造成瓶頸。

2.5 三維立體測圖

基于實景三維模型進行三維立體測圖是一種新型的作業(yè)方式，為確保成果質(zhì)量，應(yīng)建立統(tǒng)一的作業(yè)標準后才可進行大規(guī)模生產(chǎn)。

（1）確定三維立體測圖工作范圍。實景三維模型質(zhì)量過關(guān)、符合采集標準的房屋才可通過立體測圖完成。房屋實景三維模型應(yīng)整體完整且紋理清晰，如，房屋超過一面墻體扭曲或不清晰，則該房屋應(yīng)判為不符合采集標準，應(yīng)交由外業(yè)補充測量完成；

（2）統(tǒng)一采集標準。三維立體測圖時，應(yīng)基于恰當?shù)谋壤哌M行采集，為避免因比例尺過小采集產(chǎn)生的誤差，應(yīng)將實景三維模型放大到較大的比例尺，如1∶100以上比例尺。采集時應(yīng)盡量統(tǒng)一高度同一位置，如，由底部算起1.1m高處貼合房屋墻面或墻體拐角處進行采集。

對于墻體較為平整的有四個外立面的房屋，可采用8點4組交匯方法進行采集，即對每一面墻體取2個點構(gòu)成平面，然后兩兩交匯出圖形，每多一個外立面多2點1組與鄰接面進行交匯，依次類推；對于外立面不平整的房屋，采用房屋拐角點連線法進行采集，即在房屋外墻的拐點上準確刺點并依次連線。

利用軟件自動擬合墻面時，會生成白膜，采集過程中要觀察立面白膜是否合理地分布在墻體上，立面白膜多說明墻體凹陷，未出現(xiàn)立面白膜地方則說明墻面與白膜重合或墻面凸起。

為避免拓撲錯誤，房屋主體和房屋附屬應(yīng)單獨測量，結(jié)構(gòu)相同的多層房屋，上層房屋和下層房屋應(yīng)共線進行，共墻或共線房屋要注意拓撲問題；

（3）質(zhì)量檢查。完成采集工作后，重點檢查房屋及其附屬結(jié)構(gòu)的屬性是否準確、精度是否滿足要求，可抽取30%的房屋檢查邊長測量成果，即再次測量抽取樣本的邊長，與采集邊長進行對比，精度超限的房屋，需重新采集；除精度外還需檢查二維測圖成果的拓撲關(guān)系，避免出現(xiàn)拓撲錯誤。

3.應(yīng)用實例

3.1 方案設(shè)計

本文以江門市新會區(qū)“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地確權(quán)登記發(fā)證工作項目（包組A）為實列。本項目采用傾斜攝影平臺為大疆M300 RTK多旋翼無人機、賽爾102S傾斜攝影鏡頭。

項目按照優(yōu)于廣東省“房地一體”項目標準、參照1∶500地籍測繪精度要求設(shè)計[6]了無人機傾斜攝影的相關(guān)參數(shù)。地面分辨率根據(jù)地籍測繪5cm的中誤差要求，兼顧后期采集誤差，按優(yōu)于1/3中誤差設(shè)置為1.5cm；航高設(shè)計根據(jù)航高公式（1）計算，按已知地面分辨率、航攝儀的像元大小和鏡頭焦距計算出滿足最低要求的攝影航高為134m，確定項目按優(yōu)于100m進行航測。

空中三角測量和實景三維模型重建利用了配置為CPU i9、顯卡2080Ti、內(nèi)存64G的多臺高性能計算機組成的計算集群，采用了支持計算集群的重建大師和ContextCaptureCenter軟件進行生產(chǎn)。輸出成果瓦片大小為100m×100m，塊間的重疊為0.15m,高質(zhì)量紋理的OSGB格式數(shù)據(jù)。

三維立體測圖采用南方Cass3D軟件進行，該軟件可同時加載實景三維模型和二維矢量成果，實現(xiàn)二維和三維聯(lián)動的繪圖模式（如圖2所示）。三維立體測圖按照《國家基本比例尺地圖圖式第1部分1∶500 1∶1000 1∶2000地形圖圖式》（GB/T 20257.1-2017）[7]要求，即采集“房地一體”項目所需的房屋及附屬結(jié)構(gòu)（陽臺、飄樓等），并賦予房屋結(jié)構(gòu)和層數(shù)等屬性信息。

圖2 二維和三維聯(lián)動繪圖模式

3.2 精度分析

測圖成果精度根據(jù)《廣東省“房地一體”農(nóng)村宅基地和集體建設(shè)用地權(quán)籍調(diào)查技術(shù)指南》在農(nóng)村地區(qū)利用傾斜攝影測量法進行測量的精度執(zhí)行（如表1所示）：

表1 傾斜攝影精度要求

（1）實景三維模型精度。實景三維模型是三維立體測圖重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實景三維模型的精度尤其是模型的平面精度會直接影響測圖成果精度。本文利用預(yù)先布設(shè)的檢查點進行實景三維模型的平面精度檢查，通過空中三角測量報告可以看到所有檢查點均在限差范圍內(nèi)。

誤差全局均方根（Global RMS）水平方向為x=0.01657、y=0.01835，垂直方向z=0.03842，誤差中值差（Median）水平方向x=0.01139、y=0.01835，垂直方向z=0.03842。

（2）邊長和界址點精度情況。實地抽樣檢查，隨機選取了測區(qū)內(nèi)的300幢房屋進行了邊長驗證，實際丈量了620邊，符合精度的邊長有615條，符合率為99.2%；隨機選取了350幢房屋，每個房屋至少打了2個房角點坐標，共打點728個，711個點符合精度要求，平面中誤差為0.08m，設(shè)計中誤差是0.2m。

根據(jù)《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T24356-2009）[8]對于測繪成果的界址點精度規(guī)定，當平面絕對位置以及相對位置中誤差超限或粗差超過5%的均視不合格。本文測區(qū)中誤差滿足精度要求，粗差為2.3%＜5%。成果精度能滿足《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T24356-2009）的規(guī)定和精度要求。

4.結(jié)束語

本文結(jié)合江門市新會區(qū)“房地一體”項目，在總體技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)分析和應(yīng)用三個方面，對傾斜攝影測量法在“房地一體”項目的應(yīng)用進行了論述，著重分析了傾斜攝影測量法的關(guān)鍵技術(shù)，形成了從數(shù)據(jù)獲取、實景三維模型重建和三維立體測圖的一整套工作方案，實現(xiàn)了在滿足“房地一體”項目精度要求同時降低成本、提高效率的目標。然而，該方法因受到數(shù)據(jù)獲取和生產(chǎn)中軟硬件的限制，在房屋密集區(qū)域使用該方法進行測量仍需通過較多的外業(yè)補充測量完成，因此，如何克服這一短板提高該方法的適應(yīng)性是后續(xù)的研究工作。