無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用于“房地一體化”測(cè)量
——以高要區(qū)蓮塘鎮(zhèn)某村為例

盧立果， 梁 喬， 孔雙雙

(1.東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013;2.自然資源部環(huán)鄱陽湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013； 3.安徽精衡勘測(cè)規(guī)劃評(píng)估咨詢有限公司，安徽 淮南 232000)

為實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、推動(dòng)農(nóng)村制度改革、加快城鄉(xiāng)融合發(fā)展，2019年中央一號(hào)文件明確提出，要加快推進(jìn)宅基地使用權(quán)確權(quán)、登記、頒證工作，力爭(zhēng)在2020年基本完成(李芳，2019；徐小強(qiáng)等，2019)。傳統(tǒng)“房地一體化”測(cè)量方式主要有兩種：一是解析法，即全野外測(cè)量法；二是圖解法。解析法是采用GNSS RTK技術(shù)結(jié)合全站儀實(shí)地測(cè)量，該方法測(cè)得的點(diǎn)位精度高，但需投入大量人力、物力，且效率低、周期長(zhǎng)、成本高(陳成斌，2020；王果等，2017)。圖解法是使用已有的大比例尺航天數(shù)字正射影像、地形圖等，通過圖解的方式量算獲取界址點(diǎn)的平面坐標(biāo)，這種方法由于滿足確權(quán)需求的底圖較少，且大比例尺航天數(shù)字正射影像所獲取的房屋包括了其房檐部分，并不能真實(shí)地反應(yīng)界址點(diǎn)的坐標(biāo)，所以需內(nèi)外業(yè)人員相互配合完成縮減房檐的工作(鄧世贊等，2020)。因此，需要選擇新的測(cè)量技術(shù)以滿足快速高精度“房地一體化”測(cè)量的需求。

近年來快速發(fā)展的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量場(chǎng)景真實(shí)、數(shù)據(jù)成果豐富以及作業(yè)效率高等特點(diǎn)，已在國(guó)土資源、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市規(guī)劃、電力巡檢等行業(yè)中推廣應(yīng)用(陶國(guó)強(qiáng)等，2019；許亞男等，2020)，為“房地一體化”測(cè)量提供了可能(崔瑤瑤等，2017；原喜屯等，2019；游芳，2020)。因此本文將無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)用于“房地一體化”測(cè)量工作中，以實(shí)際生產(chǎn)為例，探討其具體工作流程，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定和效率對(duì)比分析。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量原理與方法

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，在其上搭載多視角傳感器和POS系統(tǒng)，從垂直、傾斜等不同角度拍攝獲取目標(biāo)全方位影像，同時(shí)記錄下攝影瞬間的航高、航速、航向重疊、旁向重疊和位置等信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片，鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片(王佩軍等，2005)，正片和斜片包含有豐富的目標(biāo)頂面信息、側(cè)面信息及紋理信息。采集得到的影像數(shù)據(jù)需進(jìn)行影像預(yù)處理，通過區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、空中三角測(cè)量、傾斜影像密集匹配、DSM點(diǎn)云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射及實(shí)景三維建模等步驟(張祖勛等，1997；王之卓，1979)，從而生成真實(shí)的目標(biāo)三維模型，最后在三維模型上采集獲取目標(biāo)的相關(guān)信息。

2 測(cè)量步驟

無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)用于“房地一體化”測(cè)量地作業(yè)流程如圖1所示。首先進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘與像控點(diǎn)的布設(shè)量測(cè)，然后開始規(guī)劃航線并獲取影像，其次運(yùn)用Context Capture軟件生成三維模型和數(shù)字正射影像(DOM))，再將三維模型和DOM導(dǎo)入至清華山維EPS軟件中采集房屋信息，最后由外業(yè)人員實(shí)地逐一核對(duì)并補(bǔ)測(cè)遺漏房屋，檢查成果質(zhì)量是否合格。若合格，則直接成圖，否則返回外業(yè)核對(duì)并進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，直到質(zhì)量檢查合格后再成圖。

圖1 “房地一體化”測(cè)量流程Fig.1 Measurement flow of "House-land Integration"

3 應(yīng)用分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

基于上述處理步驟，以廣東省高要區(qū)蓮塘鎮(zhèn)某村為對(duì)象，開展“房地一體化”測(cè)量工作。該村屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，地勢(shì)相對(duì)平坦，房屋主結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但附屬房屋較多。本次工作選用的是大疆創(chuàng)新Phantom 4 Pro V2.0無人機(jī)進(jìn)行航拍。

(1)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解測(cè)區(qū)的一些基本情況。在此基礎(chǔ)上，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻地布設(shè)像控點(diǎn)，靶標(biāo)采用“L”設(shè)計(jì)，容易區(qū)分內(nèi)外角等特征信息，布設(shè)于村莊主路面，間距100～150 m，大小20 cm×20 cm(魏國(guó)忠，2020)。像控點(diǎn)的坐標(biāo)利用GNSS RTK量測(cè)(曹良中等，2017)。

(2)規(guī)劃飛行航線。先在大疆創(chuàng)新DJI GO軟件中連接飛機(jī)，設(shè)置相機(jī)的各種參數(shù)，如曝光值、快門時(shí)間、照片的尺寸和輸出格式等。然后打開Altizure軟件，選定無人機(jī)的型號(hào)，創(chuàng)建飛行任務(wù)。在創(chuàng)建飛行任務(wù)時(shí)，需先在加載的Google衛(wèi)星影像地圖上選出測(cè)區(qū)范圍，然后依次設(shè)置飛行航高、相機(jī)型號(hào)、航向重疊率、旁向重疊率、最大速度、最短拍攝間隔及每條航線相應(yīng)的相機(jī)傾斜角度等參數(shù)。航線參數(shù)設(shè)置值如圖2所示。設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后，即可執(zhí)行航拍任務(wù)。

圖2 Altizure軟件航線規(guī)劃參數(shù)設(shè)置Fig.2 Parameter settings of route planning in Altizure software

(3)影像處理。完成影像采集工作之后，需對(duì)原始影像進(jìn)行篩選、排序命名、色調(diào)處理等工作，然后將預(yù)處理好的影像數(shù)據(jù)添加到Context Capture軟件中。在空三加密過程中，像控點(diǎn)刺點(diǎn)誤差應(yīng)控制在一個(gè)像元內(nèi)，三維模型分辨率滿足不大于0.05 m的條件時(shí)才可以生成需要的DOM和三維模型(邱春霞等，2020)?？杖\(yùn)算結(jié)果如圖3所示，DOM和三維模型分別如圖4和圖5所示。

圖3 空三運(yùn)算結(jié)果Fig.3 Result of empty three operations

圖4 生成的DOMFig.4 Generated DOM

圖5 生成的三維模型Fig.5 Generated 3D model

(4)采集房屋信息。首先在清華山維EPS“三維測(cè)圖”下拉框中的“osgb數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”中快速將三維模型轉(zhuǎn)換為dsm格式；然后在軟件中同時(shí)打開兩個(gè)工作窗口，一個(gè)加載DOM，一個(gè)加載三維模型，即可開始房屋信息采集工作；最終成果文件選擇dwg格式輸出，如圖6所示。

圖6 清華山維EPS導(dǎo)出的成果圖Fig.6 EPS output diagram

(5)外業(yè)核對(duì)及補(bǔ)測(cè)。外業(yè)人員根據(jù)成果圖實(shí)地比對(duì)，檢查航拍是否有遺漏。補(bǔ)測(cè)主要是針對(duì)在清華山維EPS軟件中無法繪制的房屋或遺漏的房屋，采用全野外測(cè)量法，用RTK+全站儀測(cè)量，然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至南方CASS軟件中，并繪制出相應(yīng)的房屋平面圖。

3.2 精度評(píng)估

本文在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻選取40個(gè)界址點(diǎn)參與平面精度檢查，用RTK+全站儀量測(cè)得到的點(diǎn)位坐標(biāo)作為實(shí)測(cè)坐標(biāo)，對(duì)比通過模型采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的差值，計(jì)算出點(diǎn)位的平面誤差，同時(shí)對(duì)幾種“房地一體化”測(cè)量方式進(jìn)行效率對(duì)比。點(diǎn)位平面精度檢查如表1所示，點(diǎn)位平面誤差如圖7所示，三種測(cè)量方法的作業(yè)效率綜合對(duì)比如表2所示。

點(diǎn)位中誤差m的計(jì)算公式：

(1)

式中，Δd為點(diǎn)位平面誤差，n為界址點(diǎn)數(shù)。

表1 點(diǎn)位平面精度檢查表

表2 三種測(cè)量方法的作業(yè)效率綜合對(duì)比

圖7 點(diǎn)位平面誤差Fig.7 Point plane error

由表1和圖7可知，檢查點(diǎn)的最大點(diǎn)位誤差為7.3 cm，由公式(1)計(jì)算出點(diǎn)位中誤差為±4.3 cm，滿足《地籍調(diào)查規(guī)程TD/T 1001—2012》(中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部，2012)中解析界址點(diǎn)允許誤差不超過±10 cm，且中誤差不超過±5.0 cm的測(cè)量要求。因此使用無人機(jī)傾斜攝影建立三維模型來采集房屋數(shù)據(jù)的這種測(cè)量方法，其精度可以滿足“房地一體化”的測(cè)量需求。由表2可知，建立三維模型采集房屋數(shù)據(jù)的方法所需的人力最少、工作時(shí)長(zhǎng)最短，故這種方法相比傳統(tǒng)的解析法、圖解法更為高效。

4 結(jié)論

本文將無人機(jī)傾斜攝影運(yùn)用于“房地一體化”測(cè)量之中，結(jié)合高要區(qū)蓮塘鎮(zhèn)某村農(nóng)房項(xiàng)目進(jìn)行探討分析，結(jié)果表明：

(1)在平面精度上，通過模型采集得到的界址點(diǎn)平面誤差滿足不超過±10 cm，點(diǎn)位中誤差不超過±5.0 cm的測(cè)量要求。因此，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以應(yīng)用于“房地一體化”測(cè)量工作。

(2)相比傳統(tǒng)的解析法、圖解法測(cè)量，通過無人機(jī)傾斜攝影建立三維模型來采集房屋數(shù)據(jù)的方法不但能夠改善作業(yè)人員的工作環(huán)境、大幅度提升作業(yè)效率，而且能夠降低投入成本。因此，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將會(huì)大規(guī)模地應(yīng)用到測(cè)繪行業(yè)中。

致謝：感謝湖南省南方測(cè)繪科技有限公司提供的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)。