基于傾斜攝影測量的石林站鐵路沿線三維實景模型構建應用

羅為東,甘淑,2,袁希平，張昊

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；2．云南省高校高原山地空間信息測繪技術應用工程研究中心，昆明 650093；3.滇西應用技術大學，大理 671000；4.云南優(yōu)化房地產(chǎn)土地資產(chǎn)評估咨詢有限公司，昆明 650093)

近幾年，隨著不動產(chǎn)登記制度的出臺，不動產(chǎn)測繪是測繪部門乃至國土部門的一項重要工作，傳統(tǒng)測繪工作人工成本較高，耗費時間較多[1]。采用攝影測量技術可以極大改善工作效率，但傳統(tǒng)航空攝影通常只能從垂直角度拍攝地物，而傾斜攝影(Oblique photography)則搭載多臺傳感器，可同時從不同的角度采集影像，能夠有效彌補傳統(tǒng)航空攝影的局限。目前，由于傾斜攝影測量技術采集數(shù)據(jù)便捷、成本較低，應用較為廣泛。特別地，傾斜攝影測量可以快速獲取實景三維模型[2]，成果具有現(xiàn)實感逼真、紋理清晰等優(yōu)點。丁偉[3]等用無人機傾斜攝影測量技術獲取農(nóng)村不動產(chǎn)權籍調查的工作底圖，并在此基礎上獲取界址點、界址線等不動產(chǎn)登記的關鍵信息，結果表明在滿足不動產(chǎn)權籍調查的精度要求的基礎上工作效率相對于傳統(tǒng)方法有所提升；楊亞彬[4]等在肇慶市端州區(qū)應用無人機傾斜攝影測量技術測繪1∶500地形圖，結果表明快速、便捷解決了不動產(chǎn)登記所需的地形圖；劉敏[5]等把無人機傾斜攝影技術應用于農(nóng)村房屋不動產(chǎn)登記權籍調查中，既減少了外業(yè)實地丈量的工作量，又克服了不通視房屋拐點量邊的困難；鄧清軍[7]等總結無人機傾斜攝影測量的工作原理、技術優(yōu)勢，并在定遠縣結合不動產(chǎn)應用項目進行生產(chǎn)試驗和精度檢查，結果表明該技術在實際應用中的可行性和優(yōu)勢；聞永俊[6]在興華市應用傾斜攝影測量在不動產(chǎn)測繪中對具體項目進行技術參數(shù)設置，并從實踐上證明該技術的可行性。本實驗基于無人機傾斜攝影技術可以構建實景三維模型的技術特點，嘗試研究該技術在石林站鐵路沿線有關兩權項目實施中遇到的現(xiàn)場測繪與成果核實數(shù)據(jù)困難等問題的技術解決方案。

1 實驗區(qū)概況

石林彝族自治縣，隸屬于云南省昆明市，位于云南省東部，東、南部與紅河哈尼族彝族自治州接壤，北與曲靖市相鄰，西、北部與宜良縣毗連。石林站位于中國云南省昆明市石林彝族自治縣如圖1所示，是隸屬于中國鐵路昆明局集團有限公司管轄的四等站。測區(qū)面積有0.15 km2，主要途徑線路為南昆鐵路，建于1997年。

圖1 石林站略圖

2 傾斜攝影及其影像處理

2.1 無人機設備平臺

石林鐵路沿線海拔在1 700～1 950 m，測區(qū)高海拔要素和復雜地形對實地測量工作帶來一定困難，再考慮鐵路運營火車，對穩(wěn)定、高效作業(yè)帶來一定困難。應用六旋翼無人機，具備4級風力氣象條件下安全飛行能力作為勘測作業(yè)平臺。傾斜相機采用五拼鏡頭傾斜相機，實現(xiàn)高精度影像數(shù)據(jù)獲取。表1為無人機平臺、傾斜相機參數(shù)。

表1 石林站鐵路沿線平臺及相機參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)采集

在高原區(qū)鐵路沿線無人機采集數(shù)據(jù)，特殊地理環(huán)境需提前準備測區(qū)基礎地理信息數(shù)據(jù)，重點了解測區(qū)地形高差、過往運行火車等影響飛行的因素，針對設計航線。在該區(qū)域進行傾斜攝影測量，同時還需進行包括：分辨率、相對行高計算、現(xiàn)場質量檢查、差分GPS 結算。航拍在實施過程中主要包括架設地面基站、飛行平臺系統(tǒng)調試、風力風向測試、信號頻率強度測試等。在《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH /Z 3005-2010)中，對像片傾角有著如下規(guī)定：傾角滿足[5°，12°]區(qū)間。使用無人機搭載多傳感器，充分發(fā)揮無人機傾斜攝影測量技術的優(yōu)勢。對測區(qū)地物地貌采集1個垂直方向和4個傾斜方向的高分辨率影像數(shù)據(jù)，五鏡頭無人機航線按照傳統(tǒng)路線飛行兩架次，相對航高為170 m，航向重疊和旁向重疊均為80%。

2.3 像控點布設

高海拔地區(qū)為無人機傾斜攝影帶來了一定的困難，目前雖已有免像控無人機，例如大疆M300RTK、拓普康天狼星等。但在高海拔地區(qū)使用免像控無人機，在后續(xù)使用Context Capture Master等軟件生成模型時易出現(xiàn)分層和模糊現(xiàn)象，外業(yè)工作仍需布設像片控制點。像控點的目標影像應清晰，且易于量測的地方。例如：選擇在易辨識獨立地物、道路交點或者拐點、房屋角隅等?？刂泣c標志，選擇白色( 或者紅色) 油漆畫“╂”字形標志。在航攝前，試飛幾張影像，確保像控標志能在傾斜影像上清晰辨識。傳統(tǒng)布設像控點方案有：(1)測區(qū)周圍均勻布設；(2)規(guī)則航線、基線間隔布設；(3)五點法分布設。本次參考李丹[11]所使用的控制點布設方法來布設像控點并一同布設檢查點，布設如圖2所示。

圖2 像控布設略圖

基礎控制測量方法按照JTG/T C10相關規(guī)定執(zhí)行?？刂泣c測量完成后制作點位分布略圖、點位信息表。準確描述每個控制點的方位和位置信息，以便后續(xù)內業(yè)刺點使用。像控點數(shù)據(jù)局部由表2所示。

表2 局部像控點數(shù)據(jù)

2.4 模型構建

參考顧廣杰[13]提出方法對測回數(shù)據(jù)通過Context Capture Master、Pix4D、ModelFun等軟件進行內業(yè)處理。使用Bentley公司的Context Capture Master軟件對30 051張影像進行處理。在完成像對預處理后自動空中三角測量，通過少量野外控制點在室內進行加密。通過兩臺計算機安裝相同版本的軟件通過集群的方式提升影像處理速度。具體流程為在已有家庭組的基礎上，A主機通過映射磁盤及更改Context Capture Settings路徑，B副機的Settings路徑改為與A主機一致。A、B計算機均是64位操作系統(tǒng)，RAM分別為128GB、64GB。在集群處理數(shù)據(jù)時，為避免內存不足或生成模型太耗費時間等問題，在切塊時按照副機配置設置切塊大小。三維實景模型生成具體流程如圖3。為節(jié)省時間生成通用OSGB格式，后續(xù)轉為s3c格式查看建模，成果如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖3 三維模型制作流程

圖4 (a、b)實景建模成果

3 鐵路沿線模型應用不動產(chǎn)登記及質檢

3.1 模型應用不動產(chǎn)登記

為建立、建全石林站鐵路沿線土地產(chǎn)權管理制度，開展土地確權工作。依據(jù)傾斜攝影獲取三維影像，查清石林站鐵路沿線集體所有的建設用地、農(nóng)用地及未利用地。完成精準地形數(shù)據(jù)，便于進行不動產(chǎn)調查工作、查清石林站鐵路沿線土地權屬、界址、面積和利用狀況。具體應用包含：(1)擴展平臺數(shù)據(jù)，制作不動產(chǎn)3D模型；(2)應用傾斜攝影生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map：DOM)制作外業(yè)調繪地圖；(3)生成宗地圖、分層分戶圖等相關不動產(chǎn)圖；(4)提高指界效率，幫助外業(yè)補測。

3.2 地籍圖精度質檢

由于在建模前對像控點的空間坐標進行了匹配，得到的是具有真實空間位置的虛擬三維模型，根據(jù)權籍調查測量要求，建立測區(qū)的地籍基礎信息，應用EPS三維測圖軟件加載三維實景模型，裸眼繪制數(shù)字線化圖(Digital Line Graphic：DLG)，繪制單體房屋如圖5所示，整個實驗區(qū)生產(chǎn)出1∶500二維矢量地籍圖，如圖6所示。把傾斜攝影測量和三維模型的技術應用于石林站鐵路沿線不動產(chǎn)登記，利用房屋分層分戶數(shù)據(jù)，獲取分層分戶的樓房模型，連接不動產(chǎn)登記信息，關聯(lián)戶型圖、地籍圖等資料，把三維空間信息真實呈現(xiàn)在不動產(chǎn)信息中，通過三維不動產(chǎn)模型可以查看三維數(shù)據(jù)，四至清晰、產(chǎn)權明確，解決了外業(yè)調查指界耗時費力、界址邊丈量人為誤差大等問題。

圖5 單體房屋繪制

圖6 DLG成果

對生產(chǎn)DLG進行精度檢核，檢驗包括：點位精度和邊長檢測。在石林站鐵路沿線三維模型數(shù)據(jù)上隨機抽取10個點與實測數(shù)據(jù)進行精度對比，同時抽取10條不同位置和方位的邊長與實測數(shù)據(jù)進行精度對比，對比結果如表3所示。依據(jù)檢查點統(tǒng)計表計算知高程中誤差為±0.12 m、平均點位中誤差±0.038 m精度滿足不動產(chǎn)權籍調查測量5 cm精度要求。

表3 點位精度對比

4 結語

針對不動產(chǎn)登記發(fā)證工作處理流程，前期不動產(chǎn)測量工作占比較重。傳統(tǒng)測量技術耗工費時已經(jīng)滿足不了不動產(chǎn)測量工作中時間緊、任務重、低成本的實際生產(chǎn)需求。近年來，傾斜攝影測量技術的普及應用推動了不動產(chǎn)測繪的高效發(fā)展，提高工作效率的同時大幅度節(jié)約了工作成本。鑒于傾斜攝影測量的技術優(yōu)勢，本文以云南省昆明市石林彝族自治縣的石林站及鐵路沿線為試驗研究對象，在試驗區(qū)克服地形復雜和運營火車采集影像數(shù)據(jù)，通過軟件平臺構建測區(qū)實景三維模型，最后對三維場景模型的數(shù)據(jù)成果進行模型精度評定。通過試驗結果分析表明:模型高程中誤差為±0.12 m、平均點位中誤差±0.038 m，由規(guī)范知1∶500地籍圖展點誤差不超0.05 m，傾斜攝影測量成果精度可以滿足不動產(chǎn)權地籍調查的5 cm精度要求。在不影響鐵路正常運行的同時高精度、高效完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集且內業(yè)成果制作較快提高了不動產(chǎn)登記發(fā)證工作效率。