傾斜攝影技術(shù)在不動(dòng)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

張亞國

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

不動(dòng)產(chǎn)測繪，是一項(xiàng)利國利民的任務(wù)，不動(dòng)產(chǎn)成果，與人們的切身利益息息相關(guān)。傳統(tǒng)不動(dòng)產(chǎn)測繪，主要使用的是全站儀、GPS-RTK、鋼尺等進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)的采集和邊長距離的測量。全站儀采集，需要架設(shè)站點(diǎn)和待測目標(biāo)點(diǎn)通視，否則無法進(jìn)行點(diǎn)位的采集，通過采集相關(guān)點(diǎn)位，進(jìn)行交匯出無法直接采集的點(diǎn)位[1-2]。利用GPS-RTK 可以在不通視的條件下完成點(diǎn)位的采集，但是要求是固定解，在農(nóng)村地區(qū)，由于山高林密，很多地區(qū)可以搜索到的衛(wèi)星并不多，因此在實(shí)際作業(yè)中，很難得到固定解，即使可以得到固定解，但是也需要較多時(shí)間，嚴(yán)重影響作業(yè)效率[3]。利用鋼尺進(jìn)行邊長距離的測量，由于待測兩點(diǎn)之間可能并不是直線，因此會(huì)存在量測距離比實(shí)際距離大的現(xiàn)象，且對(duì)于邊長較長的待量測線段，由于多次量測，使得誤差累積，精度隨著距離增大而降低[4-5]。無人機(jī)技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，本文在分析了傾斜攝影的整個(gè)作業(yè)流程后，提出采用傾斜攝影的方式進(jìn)行地籍圖的生產(chǎn)。首先對(duì)傾斜攝影的技術(shù)和作業(yè)流程進(jìn)行介紹，其次分析了傾斜攝影測量中的關(guān)鍵技術(shù)，然后以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，對(duì)任務(wù)區(qū)內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程進(jìn)行說明，最后利用檢測點(diǎn)和檢測邊對(duì)地籍圖成果精度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明：采用本文的方法生產(chǎn)的地籍圖，其點(diǎn)位精度和邊長精度均可以滿足地籍精度要求，為不動(dòng)產(chǎn)測繪提供了一種高效率、短周期、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)方式。

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)

“傾斜攝影”一詞，主要來源于其搭載的航攝儀。傳統(tǒng)的攝影測量被稱為垂直攝影，主要是因?yàn)槠浯钶d的航攝儀只有一個(gè)，且其在作業(yè)時(shí)，始終盡可能與地面垂直，即使由于姿態(tài)問題，實(shí)際采集數(shù)據(jù)的過程中，并不能完全與地面垂直，但是也是在一個(gè)很小的角度要求下的，否則采集的影像成果是不可以被使用的[6]。而傾斜攝影，其搭載的航攝儀較多，通常可見的有兩鏡頭、三鏡頭、五鏡頭等，兩鏡頭沒有下視鏡頭；三鏡頭由1 個(gè)下視鏡頭和2 個(gè)側(cè)視鏡頭組成；5 鏡頭由1 個(gè)下視鏡頭和4 個(gè)側(cè)視鏡頭組成。以5 鏡頭為例，其下視鏡頭垂直地面采集影像數(shù)據(jù)，其主要采集的是建構(gòu)筑物頂部信息和地面信息；其側(cè)視鏡頭主要采集的是建構(gòu)筑物側(cè)面信息和地面信息。這種組合，不但可以獲得建構(gòu)筑物頂部信息和地面信息，而且可以獲得豐富的建構(gòu)筑物側(cè)面信息。由于鏡頭多，角度多，且飛行采集數(shù)據(jù)時(shí)，其重疊度較垂直攝影方式更高，所以獲得了更多可靠的有用信息，減少了視角盲區(qū)，增加了可用信息。

傾斜攝影方式的精度主要在于空三解算，而更加豐富可靠的建構(gòu)筑物信息，為空三解算精度的提升奠定了基礎(chǔ)?；诙嘁曈跋衿ヅ渌惴ǎY(jié)合光束法約束平差，可以得到高精度的空三加密成果，為后續(xù)各種測繪產(chǎn)品精度滿足項(xiàng)目需求提供了保障。

1.2 傾斜攝影建模流程

傾斜攝影建模整個(gè)流程大致可以分為兩部分：外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)影像解算建模，其具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影建模流程

2 傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)分析

傾斜攝影較傳統(tǒng)的垂直攝影來說，主要存在以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)冗余度高。垂直攝影，搭載的是一個(gè)攝影儀，且作業(yè)時(shí)，其旁向、航向重疊度均較小。而傾斜攝影，其數(shù)據(jù)冗余度高，主要是因?yàn)榇钶d的航攝儀多，且航向、旁向重疊度高，一般均在80%以上，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)冗余大幅度提升。數(shù)據(jù)量直接影響的是數(shù)據(jù)解算所需的時(shí)間和準(zhǔn)確度，為了提升數(shù)據(jù)的解算效率，減少解算數(shù)據(jù)所需的時(shí)間，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的解算準(zhǔn)確度，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

結(jié)合航攝儀和飛機(jī)軌跡之間的相互關(guān)系，利用任務(wù)區(qū)范圍線套合，剔除范圍線以外的影像，通過人機(jī)交互的方式，剔除POS 在任務(wù)線內(nèi)，但所拍影像為任務(wù)線外的影像，這樣就可以剔除無用影像，縮短數(shù)據(jù)解算時(shí)間。邊緣影像，一般重疊度較低，參與空三的解算，可能會(huì)使得空三解算精度降低。因此，剔除邊緣影像，不但可以縮短空三解算時(shí)長，而且一定程度上還可以提高空三解算的精度。

2.2 POS 和影像不對(duì)應(yīng)。在垂直攝影過程中，POS 和影像是一一對(duì)應(yīng)的，然而在傾斜攝影中，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系僅存在于下視鏡頭，側(cè)視鏡頭使用的POS 數(shù)據(jù)，都是用下視鏡頭的POS 來代替的。對(duì)于高精度數(shù)據(jù)解算來說，這種方式會(huì)使得空三解算精度降低。側(cè)視鏡頭由于與下視鏡頭存在一個(gè)很大的固定角度，這使得側(cè)視鏡頭影像畸變?cè)龃?，?duì)于目前的算法來說，都是以垂直地面為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行算法編程的，并不太適合這種大畸變、大角度影像的解算，這也是傾斜攝影空三常出現(xiàn)分層、彎曲的原因所在。因此提高側(cè)視鏡頭的POS 精度，可以更準(zhǔn)確還原采集影像時(shí)的外方位線元素和角元素，會(huì)更有利于空三的解算。

相機(jī)在組裝時(shí)，其彼此之間的參數(shù)是已知的，即平臺(tái)檢校參數(shù)是已知的，這樣就可以利用這個(gè)參數(shù)來對(duì)POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。通過分析航飛軌跡和平臺(tái)檢校參數(shù)、影像之間的關(guān)系，利用C++語言編寫程序，對(duì)側(cè)視POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到高精度的側(cè)視鏡頭外方位元素，使得POS 和影像具有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 案例分析

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)位于甘肅省定西市某村，測區(qū)范圍約1km2，房屋主要以磚混低層為主，分布不均勻，高大樹木較少，測區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，高差約為10 米，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)低空作業(yè)。

3.1 控制測量

為了提高控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺精度，本次作業(yè)控制點(diǎn)均采用油漆噴涂的方式進(jìn)行，檢測點(diǎn)均采集房角點(diǎn)、圍墻等特征點(diǎn)。按照150 米的密度均勻布設(shè)控制點(diǎn)45 個(gè)，隨機(jī)均勻采集檢測點(diǎn)30 個(gè)，檢測邊25 條。使用GPS-RTK，在固定解時(shí)進(jìn)行點(diǎn)位的采集，每個(gè)點(diǎn)位采集3 次，每次平面、高程較差均在1cm內(nèi)，然后取3 次采集坐標(biāo)的平均值作為最終的測量成果。用10 米鋼尺量測25 條邊長，其中有5 條邊長大于10 米，在鋼尺測量的時(shí)候，續(xù)著測了2 次才完成。本次外業(yè)采用紅白色油漆進(jìn)行對(duì)三角靶標(biāo)噴涂，三角形邊長為60cm，具體噴涂如圖2 所示。

圖2 控制點(diǎn)外業(yè)噴涂靶標(biāo)

3.2 航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)采集

在對(duì)測區(qū)勘察和分析后，決定采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)測繪成果的制作。首先按照地面分辨率為1.3cm 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行航線規(guī)劃，選擇CCD 大小為0.00625mm，下視鏡頭為35mm，側(cè)視鏡頭為50mm 的5 鏡頭相機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集。按照航向、旁向重疊度均為80%進(jìn)行航線規(guī)劃。結(jié)合六旋翼無人機(jī)續(xù)航時(shí)長，本次共劃分2 架次，在符合影像數(shù)據(jù)采集的狀況下，對(duì)任務(wù)區(qū)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，2 架次共采集影像數(shù)據(jù)14505 張。

通過人機(jī)交互的方式，對(duì)影像成果質(zhì)量進(jìn)行檢查，影像對(duì)比度明顯，無模糊、無重影問題，影像視覺質(zhì)量符合要求。利用質(zhì)檢軟件，對(duì)下視鏡頭影像進(jìn)行檢查，旁向重疊度最小為75%，航向重疊度最小為77%，重疊度符合設(shè)計(jì)要求，本次采集的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量合格，可以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)的解算和建模。

3.3 影像預(yù)處理

主要是解決影像冗余問題和POS 與影像不對(duì)應(yīng)問題。通過人機(jī)交互的方式，2 架次共剔除無效影像2351 張，這些剔除的影像，是對(duì)后期模型成果沒影響的，只是參與空三的解算，因此剔除是可行的。結(jié)合平臺(tái)檢校參數(shù)，以下視鏡頭為標(biāo)準(zhǔn)，用C++開發(fā)的程序?qū)?cè)視鏡頭POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到唯一高精度的POS 數(shù)據(jù)。

3.4 空三加密及平差

本次測試采用ContextCapture Center 軟件。新建工程，導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)和完善相機(jī)參數(shù)，設(shè)置工程路徑和任務(wù)執(zhí)行路徑，提交空三任務(wù)。待空三解算完成后，通過人機(jī)交互方式查看，空三成果無彎曲、分層現(xiàn)象，查看加密報(bào)告，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.61 個(gè)像元，符合規(guī)范要求的0.8 個(gè)像素。設(shè)置坐標(biāo)系，導(dǎo)入控制點(diǎn)，進(jìn)行控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺，轉(zhuǎn)刺完所有的控制點(diǎn)后，提交平差任務(wù)，完成空三平差解算。查看加密報(bào)告，所有控制點(diǎn)中平面誤差最大的為0.021 米，高程誤差最大的為0.013 米，平面位置中誤差為0.008 米，高程中誤差為0.007 米，平差精度符合規(guī)范要求成果可以直接用于后續(xù)的三維建模?？杖用艿木唧w流程如圖3 所示。

圖3 空三加密流程圖

3.5 三維建模

結(jié)合后期不動(dòng)產(chǎn)測圖要求和電腦配置，按照水平規(guī)則格網(wǎng)切塊的方式進(jìn)行瓦片劃分，建模所需內(nèi)存大小設(shè)置不超過集群電腦中最小內(nèi)存的1/2，平面簡化設(shè)置為“0 米”，盡可能保留建構(gòu)筑物棱角邊緣的完整性。選擇輸出模型格式為OSGB，該格式具有多層級(jí)金字塔，在瀏覽和測圖中都比較流暢，有助于測圖效率的提高，三維建模具體流程如圖4 所示。

圖4 三維建模具體流程

3.6 地籍圖制作

基于實(shí)景三維模型測圖，也被稱為裸眼測圖，是一種直接在實(shí)景模型上測圖的作業(yè)方式。本次地籍圖生產(chǎn)，選擇清華山維的EPS 軟件。首先加載元數(shù)據(jù)和Data 文件，自動(dòng)生成EPS 可識(shí)別的索引文件，然后加載索引文件，調(diào)整角度，進(jìn)行地籍圖的測繪。規(guī)則四邊形房屋，在采集時(shí)，可以利用EPS中的五點(diǎn)房功能，該工具可以快速對(duì)這種四邊規(guī)則房屋進(jìn)行采集，并在閉合后完成屬性的錄入。不規(guī)則房屋和圍墻等，選擇對(duì)應(yīng)的工具進(jìn)行采集即可。因?yàn)閷?shí)景三維模型支持360 度瀏覽，所以在采集的過程中，對(duì)屋檐等，通過不同的視角一次性進(jìn)行了改正，后續(xù)不需要外業(yè)采集坐標(biāo)進(jìn)行改正。對(duì)于模型變形無法準(zhǔn)確采集的和部分屬性，需要外業(yè)進(jìn)行補(bǔ)充采集和完善相關(guān)屬性，具體作業(yè)流程如圖5 所示。

圖5 地籍圖制作流程

4 精度評(píng)定

精度檢查主要看點(diǎn)位精度和邊長精度。將30 個(gè)檢測點(diǎn)導(dǎo)入EPS 中，通過雙擊定位的方式，快速找到實(shí)際點(diǎn)位，并和地籍圖上的點(diǎn)位進(jìn)行求差計(jì)算，得出在平面和高程方向上的殘差值，具體統(tǒng)計(jì)見表1（表中統(tǒng)計(jì)數(shù)值單位為cm）。

表1 點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，30 個(gè)檢測點(diǎn)中，平面位置最大殘差為0.081 米，高程最大殘差為0.061 米。按照同精度中誤差公式計(jì)算[7-8]，30 個(gè)點(diǎn)的平面位置中誤差為0.034 米，精度滿足地籍規(guī)范要求。

同樣的方法，對(duì)25 條邊長精度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2（表中統(tǒng)計(jì)數(shù)值單位為cm）。

表2 邊長精度統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知，25 條邊長檢測中，殘差最大為0.101 米，平均殘差為0.061 米，成果精度滿足地籍規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文在分析了傳統(tǒng)地籍圖方法生產(chǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出基于傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地籍圖生產(chǎn)的方案，對(duì)傾斜攝影中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，給出切實(shí)可行的優(yōu)化方案。并采用實(shí)際項(xiàng)目對(duì)本文提出的方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：按照本文的作業(yè)流程生產(chǎn)的地籍圖成果精度可以滿足地籍規(guī)范要求，且較傳統(tǒng)作業(yè)方式來說，風(fēng)險(xiǎn)低、成本低、效率高，可以為不動(dòng)產(chǎn)地籍圖測繪提供有效參考。