基于無人機(jī)傾斜攝影的房地一體化農(nóng)村宅基地測量方法研究

傅達(dá)好

（福建省地質(zhì)工程研究院，福州350002）

1 引言

隨著我國國土資源管理的精細(xì)化程度越來越高，相關(guān)部門對農(nóng)村區(qū)域宅基地的權(quán)籍管理工作的要求也逐步提升，同時，城市化過程中對于近郊農(nóng)村土地征收過程中所涉及的房屋拆遷和土地賠償工作也需要較為精確的權(quán)籍證明。因此，對農(nóng)村宅基地進(jìn)行房地一體化測量既是保障農(nóng)戶財產(chǎn)安全的民生工程，又是政府對土地資源進(jìn)行集約化管理的技術(shù)保障。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)概述

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)主要包括航拍影像采集裝置和圖形處理軟件兩大類，其中，航拍影像采集裝置由無人機(jī)平臺、云臺、攝像鏡頭、航行控制器等組件構(gòu)成，而圖形處理軟件則是指各類能夠?qū)⒑脚乃杉挠跋褓Y料自動轉(zhuǎn)換為GIS格式、三維模型格式、數(shù)字劃線圖等類型的軟件[1]。

2.2 工作原理

傾斜攝影測量技術(shù)是通過安裝在無人機(jī)平臺上的多組不同角度的攝影鏡頭，在飛行過程中同步采集垂直角度或其他傾斜角度的影像資料，并通過圖形處理軟件綜合計算飛行高度、航行速度、航向重疊度、旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)后，最終生成測量對象的三維模型或數(shù)字劃線圖。

通常情況下，傾斜攝影測量技術(shù)所采用的無人機(jī)都搭載有5組攝像頭，其中，1組固定在機(jī)腹位置用以采集垂直方向上的影像，即正射投影，而其他4組攝像頭分別以不同的傾斜角安裝在無人機(jī)前、后、左、右4個方向上，從而較為完整地采集地面物體側(cè)面的輪廓和紋理信息。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)村宅基地測量中的優(yōu)勢分析

首先，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)所搭載的攝像鏡頭可采集圖像分辨率已提高至4K（4 096×2 160）甚至8K（7 680×4 320），在通過圖形處理軟件處理加工后所形成的界址點精度可控制在約0.05 m，雖然不及全面采用GPS-RTK技術(shù)所能達(dá)到毫米或厘米級別的數(shù)據(jù)精度，但已經(jīng)能夠滿足農(nóng)村區(qū)域宅基地測量的數(shù)據(jù)精度需求。

其次，無人機(jī)傾斜攝影測量自動化程度高、測量速度快。目前，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)中需要人為干預(yù)的環(huán)節(jié)較少，如控制點布控、數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置等，其他大多數(shù)工作都可由設(shè)備或軟件自主完成。同時，在應(yīng)用無人機(jī)平臺后受測量現(xiàn)場場地和交通等條件限制較少，故測量工作的效率較高[2]。

最后，隨著無人機(jī)平臺、圖形處理軟件研發(fā)單位的不斷拓展，整個技術(shù)的設(shè)備采購成本將呈現(xiàn)出下降趨勢，而操作人員的數(shù)量也在逐步增加，對技術(shù)總體成本的控制有一定的幫助。

4 應(yīng)用的前期準(zhǔn)備階段

4.1 應(yīng)用要點

由于農(nóng)村地區(qū)的地形地貌遠(yuǎn)較城市區(qū)域復(fù)雜，其區(qū)域內(nèi)不僅有各類農(nóng)舍、倉庫、廠房等建筑物，而且部分建筑物周邊還有種植著各類農(nóng)作物的耕地、林地、魚塘等非建設(shè)用地，甚至在大面積的耕地、林地中存在一棟平時用于堆放生產(chǎn)資料或臨時供人居住的倉庫管理用房。在應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對農(nóng)村區(qū)域宅基地進(jìn)行測量時，應(yīng)當(dāng)對航拍線路規(guī)劃和設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)試。

4.2 應(yīng)用方法

首先，飛行線路與飛行高度規(guī)劃。在農(nóng)村地區(qū)，建筑層數(shù)普遍在5層以內(nèi)，其建筑高度不超過20 m，在平原的農(nóng)村除去對植被高度有所限制要求，可將飛行器的航行高度控制在約30 m；而在部分丘陵或山區(qū)進(jìn)行航拍攝影，則需要根據(jù)測量區(qū)域內(nèi)的地形變化情況適當(dāng)進(jìn)行調(diào)解，通常情況下，可基于測量區(qū)域最高建筑物或植被高度再加上飛行器的安全超高10 m。為了提高丘陵或山區(qū)航拍影像的精度，可將測量區(qū)域沿平行于等高線方向分為數(shù)條帶狀區(qū)域，保證每個帶狀區(qū)域內(nèi)地形標(biāo)高較為接近，便可適當(dāng)降低區(qū)域內(nèi)飛行器的高度設(shè)置。飛行線路往往會受到測量區(qū)域的面積、飛行高度、成果精度要求等因素的影響，同時，還應(yīng)滿足DH/Z 3004—2010《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》要求，通常情況下傾斜攝影測量技術(shù)要求攝影圖像重復(fù)率控制在約50%。

其次，飛行器的選擇。目前，無人飛行器平臺種類較多，根據(jù)結(jié)構(gòu)外形，分為固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和無人直升機(jī)3大類，不同類型的飛行器在航行高度、滯空時間、飛控系統(tǒng)穩(wěn)定性、搭載荷載等主要指標(biāo)上存在較大差異，一般情況下售價越高，專業(yè)級的飛行器在上述幾項主要指標(biāo)上的表現(xiàn)就越高于非專業(yè)的飛行器。因此，針對不同測量面積、工作時限、測量精度等要求的測量項目，可結(jié)合項目實際需求選擇最為合適的飛行器平臺，從而起到控制項目成本的目的。目前，在農(nóng)村宅基地測量項目的實際測量工作量較小，采用小型或中型無人機(jī)平臺便可滿足需求，由大疆公司生產(chǎn)的M600型和零度智控公司生產(chǎn)的ZT-3V型無人機(jī)則是上述2類無人機(jī)的經(jīng)典機(jī)型[3]。

最后，攝像設(shè)備選擇。通常情況下，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)中，飛行平臺所搭載的攝像設(shè)備多為三攝像頭至五攝像頭的云臺式攝像設(shè)備，其鏡頭往往是普通的數(shù)碼相機(jī)鏡頭，在拍攝過程中，雖然能拍攝到較清晰的影像圖片，但其在對農(nóng)村區(qū)域內(nèi)被植被遮蓋的建筑物存量較多，故在對其進(jìn)行測量時攝像鏡頭往往會被植被所遮擋，而無人機(jī)也無法進(jìn)入植被內(nèi)進(jìn)行航拍作業(yè)。鑒于上述情況，可在飛行平臺所搭載的數(shù)個攝像頭中采用近紅外攝像頭進(jìn)行替換，從而在航拍過程采集到近紅外波段的影像資料，并最終通過后臺軟件處理得出較為清晰的建筑外輪廓線。

4.3 改進(jìn)建議

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是通過安裝在飛行器底部傾斜的云臺及云臺內(nèi)部鑲嵌的攝像頭使飛行器在航行過程中采集到機(jī)身斜面的影像數(shù)據(jù)，故云臺與攝像頭的安裝傾斜角與所獲得的圖像效果有著較為直接的關(guān)系。由于農(nóng)村區(qū)域特有的建筑樣式和外部環(huán)境結(jié)構(gòu)，在對其進(jìn)行傾斜攝影測量時，飛行器內(nèi)云臺與攝像頭的安裝傾斜角應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量對象實際情況予以調(diào)整（見圖1）。

圖1中，α為云臺的傾斜角；β為攝像頭傾斜角；OB為傾斜攝像頭拍攝效果最為清晰的視角；AB、BC分別為攝像頭的前視角圖像和后視角圖像。α越小，則在飛行過程中所采集的傾斜圖像范圍越小、測量對象側(cè)面被建筑物屋檐或植被遮擋的概率越大。項目地區(qū)內(nèi)，建筑與植被高度均不超過15 m，無人機(jī)飛行高度被設(shè)置為25 m，故將α設(shè)置在約45°則即可保證建筑物屋檐或植被枝葉對測量對象的遮蓋，又可精簡航拍線路。

圖1 攝像探頭安裝角度示意圖

5 應(yīng)用的飛行測量階段

5.1 技術(shù)要點

飛行測量階段是傾斜攝影測量技術(shù)采取測繪數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其圖像采集的質(zhì)量、飛行線路定位精度等因素將直接影響項目的測量精度，而在圖像采集和飛行定位的過程中，會被多種外在因素所制約。例如，航拍時，風(fēng)速過大會導(dǎo)致攝像頭出現(xiàn)劇烈抖動；過強(qiáng)的光照直接進(jìn)入攝像頭會造成鏡頭曝光過度；定位點坐標(biāo)偏移則會造成航拍線路錯誤等。

5.2 技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)力和光照條件對于圖像采集質(zhì)量影響較大，通常情況下，中小型的飛行器能夠在3級風(fēng)力的條件下開展作業(yè)；部分專業(yè)型的固定翼飛行器能夠在5級風(fēng)況下進(jìn)行作業(yè)。為此，進(jìn)行航拍作業(yè)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同設(shè)備所能承受的風(fēng)力等級挑選合適的時機(jī)進(jìn)行航拍。同時，我國多數(shù)地區(qū)一年中夏秋兩季的光照條件明顯優(yōu)于冬春兩季，而在每日的12點至14點間光照條件最為充足，此時的陽光多處于直射狀態(tài)，建筑物和植被所產(chǎn)生的遮擋陰影最少，故可選擇此段時間進(jìn)行航拍工作[4]。

無人機(jī)的空中三維坐標(biāo)（以下簡稱“空三坐標(biāo)”）作為后期圖形處理軟件進(jìn)行圖形拼接的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性將直接影響測繪精度，空三坐標(biāo)包括飛行器的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度坐標(biāo)等兩大類，故應(yīng)采取不同的技術(shù)手段予以優(yōu)化。在測量區(qū)域內(nèi)布設(shè)水平坐標(biāo)控制點，布點時，可利用區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的固定標(biāo)記物進(jìn)行標(biāo)記，如果殼箱、建筑物拐角、花壇等擁有2條直線相交的物體，抑或是在現(xiàn)場用油漆、標(biāo)記釘?shù)冗M(jìn)行標(biāo)記?？刹捎玫染喾绞竭M(jìn)行點位的均勻布設(shè)，也可采用對角線布設(shè)的樣式進(jìn)行布設(shè)。針對部分建筑物或植被密度較大的區(qū)域，可適當(dāng)增加布設(shè)點以提高定位精度。待所有控制點布設(shè)完成后，便可對其進(jìn)行坐標(biāo)和高程的測量。由于我國農(nóng)村區(qū)域內(nèi)測繪界址點的密度及精度較低，無法滿足傾斜攝影技術(shù)對坐標(biāo)精度的要求，故通常采用GPS定位測定布控點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

在正式測量前，可選取部分區(qū)域作為實驗區(qū)，使用無人機(jī)對其進(jìn)行試飛和試航，從而判斷所選擇的飛行高度和路線是否滿足測量精度要求，如出現(xiàn)圖像模糊等情形，可適當(dāng)調(diào)整飛行高度和云臺與攝像頭傾斜角。在航拍數(shù)據(jù)采集完成后，須在鄉(xiāng)村對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的檢測，如發(fā)現(xiàn)部分圖像不夠清晰，可立即對其進(jìn)行復(fù)測。

5.3 改進(jìn)建議

在采用GPS技術(shù)對布控點進(jìn)行三維坐標(biāo)定位時，往往會因為定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸不佳、衛(wèi)星數(shù)量較少以及GPS定位精度不高等原因會使布控點的三維精度差強(qiáng)人意，為此，提高布控點坐標(biāo)精度成為保證傾斜攝影技術(shù)測量精度的關(guān)鍵。在我國沿海發(fā)達(dá)城市，許多城市的規(guī)劃部門已經(jīng)建立覆蓋全域的GPS-RTK網(wǎng)絡(luò)，如測量對象所在的城市規(guī)劃部門能夠提供GPS-RTK網(wǎng)絡(luò)的接入數(shù)據(jù)，便可在布點時直接引用相關(guān)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在其他未覆蓋城市GPS-RTK網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)村區(qū)域進(jìn)行測量時，可在項目所在地臨時布置“局域網(wǎng)”式的封閉坐標(biāo)體系，在后期數(shù)據(jù)處理時，采用臨時“局域網(wǎng)”坐標(biāo)系并最終采用多點復(fù)核方式對臨時“局域網(wǎng)”的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行復(fù)核。

鑒于部分傾斜攝影測量工作是在光照極強(qiáng)的夏季進(jìn)行，為了避免攝像鏡頭曝光過度，可選擇在每日清晨時分進(jìn)行航拍作業(yè)，同時，在規(guī)劃飛行路線時，應(yīng)當(dāng)始終保持陽光的直射角。在每次飛行結(jié)束后，及時填寫相關(guān)作業(yè)報告，所填寫的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括航拍起止時間、氣候狀況、光照強(qiáng)度、風(fēng)力風(fēng)向、飛行高度與線路、云臺與攝像頭傾斜角等數(shù)據(jù)信息，以便后期如需對部分區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測時，可參照其中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而獲得視角與效果接近的圖像[5]。

另外，由于近紅外攝像頭采購成本較高，在部分農(nóng)作物或植被較為茂盛的農(nóng)村區(qū)域進(jìn)行測繪，可選擇在農(nóng)作物收割完成后或秋季植被落葉后進(jìn)行航拍作業(yè)，從而大大降低茂密的植被對建筑物的遮擋。

6 應(yīng)用的后期數(shù)據(jù)處理階段

6.1 技術(shù)要點

傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)村宅基地測繪項目中最為重要的成果便是數(shù)字劃線圖，數(shù)字劃線圖作為農(nóng)村地區(qū)不動產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查的主要成果，其制作的精細(xì)度會直接影響不動產(chǎn)權(quán)籍測量工作質(zhì)量，也與農(nóng)戶的切身利益息息相關(guān)。數(shù)字劃線圖的精度由影像質(zhì)量、像片控制點精度以及三維模型質(zhì)量來確定。

6.2 技術(shù)應(yīng)用

通過對航拍階段的影像進(jìn)行初步質(zhì)檢可判斷其是否滿足測繪精度要求，一旦發(fā)現(xiàn)圖像大面積失焦、畫面抖動等問題，應(yīng)當(dāng)立即予以補(bǔ)測。同時，由于傾斜攝影技術(shù)所采用的云臺和攝像頭始終與陽光存在一定的夾角，從而會導(dǎo)致不同鏡頭之間出現(xiàn)一定的光線強(qiáng)度差異，因此，在使用航拍影像數(shù)據(jù)前，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行勻光、勻色處理。待影像數(shù)據(jù)處理完成后便可進(jìn)行POS數(shù)據(jù)匹配，其間，要根據(jù)航拍登記表上所記錄的傳感器尺寸、鏡頭焦距、云臺和鏡頭傾斜角等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)配置，從而得到正確的POS匹配數(shù)據(jù)。目前，傾斜攝影測量技術(shù)的后臺軟件自動化處理能力較高，待航拍影像資料的POS數(shù)據(jù)匹配完成后，系統(tǒng)便可自主完成空中三角測量、三維模型及數(shù)字劃線圖的生成。

6.3 改進(jìn)建議

在軟件自主生成數(shù)字劃線圖后，必須人工對數(shù)據(jù)成果進(jìn)行核對，核對的內(nèi)容包括圖像要素、圖像屬性、地籍要素、邏輯關(guān)系等。同時，由于無人機(jī)在飛行過程中會出現(xiàn)不規(guī)則的抖動，從而造成三維模型出現(xiàn)幾何形變，需要對建筑物的外圍輪廓線進(jìn)行仔細(xì)的校核，尤其是部分建筑密度較大、建筑物互相遮擋問題嚴(yán)重的區(qū)域。

鑒于不同工作人員對圖形的研判會有固定的思維定式，從而造成研判過程中產(chǎn)生一定的誤差，故可安排多位工作人員分別對輸出成果進(jìn)行校核和研判，并最終通過比對不同研判成果之間的差異來進(jìn)一步修改和完善數(shù)字劃線圖成果。

7 結(jié)語

無人機(jī)傾斜影像測量技術(shù)測量精度高、工作速度快、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)勢已逐步在國土資源測繪領(lǐng)域占據(jù)一席之地，而在我國農(nóng)村宅基地測繪工作中，由于工作任務(wù)重、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重等問題，使無人機(jī)傾斜影像測量技術(shù)得以嶄露頭角。通過不斷改進(jìn)技術(shù)工藝、研發(fā)新型設(shè)備，無人機(jī)傾斜影像測量技術(shù)的工作效率和測量精度必將進(jìn)一步提高，在農(nóng)村宅基地測繪領(lǐng)域做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。