無人機傾斜測量技術(shù)在自然資源一體化建設(shè)中的應(yīng)用
——以保定高鐵片區(qū)為例

駱延青 LUO Yan-qing；韓彥偉 HAN Yan-wei；蘇宗躍 SU Zong-yue；郭興平 GUO Xing-ping；范小青FAN Xiao-qing

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊（河北九華勘查測繪有限責(zé)任公司），保定 071000）

0 引言

在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下，大力推進信息化建設(shè)，以促進便民利民為服務(wù)目標，圍繞提升政府管理能力和促進國家社會經(jīng)濟發(fā)展開展大數(shù)據(jù)、大平臺建設(shè)。同時國家自然資源相關(guān)部門開始進行機構(gòu)改革[1]，整合包含林業(yè)、礦產(chǎn)、水資源與土地資源在內(nèi)的自然資源空間相關(guān)數(shù)據(jù)，建立全國統(tǒng)一的國土空間基礎(chǔ)服務(wù)平臺。保定市為提升自身政務(wù)管理信息化，對接雄安新區(qū)建設(shè)，在自然資源一體化建設(shè)中勢在必行。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)域概況

保定市地處京津冀中心地帶，位于我國首都北京南面，是首都的門戶，在古代一直有著“京畿南大門”的重要地位。這種特殊的位置使得保定被納入國家對首都的整體布局規(guī)劃中，比如在保定的容城縣、雄縣及安新縣區(qū)域建設(shè)雄安新區(qū)。特別是建設(shè)雄安新區(qū)的歷史性決策，同時給保定地區(qū)的發(fā)展帶來了新的機遇。

保定東緊鄰雄安新區(qū)的白洋淀，在水資源匱乏的華北平原有著得天獨厚的優(yōu)勢。同時隨著津保鐵路、雄忻鐵路及京雄城際鐵路的修建，保定將進入北京的通勤圈，因此選擇保定市高鐵片區(qū)作為此次研究的試驗區(qū)。

1.2 研究現(xiàn)狀

自2019年自然資源部發(fā)布《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》以來，以“互聯(lián)網(wǎng)+一張圖+一個平臺”為主要任務(wù)的自然資源信息化綜合管理得到了開展[2]。各地區(qū)為緊跟國家信息化改革的要求，陸續(xù)提出了符合自身現(xiàn)狀需求的自然資源信息化建設(shè)總體方案，從體系建設(shè)目的、框架結(jié)構(gòu)、建設(shè)方法、實施期限等進一步明確自然資源一體化建設(shè)內(nèi)容。

2020年南京市[3]在自然資源政務(wù)服務(wù)系統(tǒng)一體化及數(shù)據(jù)融合建設(shè)中，將相關(guān)自然資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一分類為現(xiàn)狀資源數(shù)據(jù)、土地資源管控規(guī)劃數(shù)據(jù)、資源管理數(shù)據(jù)與人文資源數(shù)據(jù)四大類，其中現(xiàn)狀資源數(shù)據(jù)包括測繪、地理國情、礦產(chǎn)資源等，土地資源管控規(guī)劃數(shù)據(jù)包括國土空間規(guī)劃、用地保護規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃及其他詳細規(guī)劃數(shù)據(jù)等；資源管理數(shù)據(jù)包括不動產(chǎn)、自然資源確權(quán)等數(shù)據(jù)；人文資源數(shù)據(jù)包括社會經(jīng)濟及人口等，綜合所有相關(guān)數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容屬性、空間屬性等各方面差異，重新劃分類別，刪除重復(fù)內(nèi)容，結(jié)合地理實體類別編碼，關(guān)聯(lián)所有空間與社會人文數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了自然資源融合建設(shè)。

自然資源一體化管理建設(shè)的關(guān)鍵為多源數(shù)據(jù)的采集與整理，隨著測繪、電子與計算機技術(shù)的快速發(fā)展及全國各地城市實景三維建設(shè)的實施，傾斜三維航空攝影測量技術(shù)無疑已成為目前地理空間資源信息采集的主流方法。根據(jù)航空平臺是否有人駕駛可以分為有人機與無人機的航空攝影測量，各有優(yōu)缺點。其中無人機大多為小型飛機，由于體型較小，抗風(fēng)性小，對現(xiàn)場施工條件要求較大，但可以滿足小范圍的航測任務(wù)，經(jīng)濟性較高；有人機體型較大，抗風(fēng)性強，可以適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，可以滿足較大范圍的航測任務(wù)，費用較高。目前市場上覆蓋各種施工環(huán)境較高的為大疆創(chuàng)新生產(chǎn)的各種大疆無人機，利用無人機傾斜三維測量技術(shù)大大縮短了自然資源相關(guān)空間地理信息數(shù)據(jù)采集的時間。

2 研究內(nèi)容與方法

2.1 研究方法

本研項目究以目前市場占有率較高的大疆M300無人機結(jié)合賽爾102S鏡頭為傾斜航測原始照片數(shù)據(jù)采集工具，利用Context Capture實景三維模型處理軟件，對研究區(qū)域的地理空間信息數(shù)據(jù)進行研究制作。首先對研究區(qū)域進行實地踏勘并規(guī)劃，按照傾斜攝影測量先關(guān)技術(shù)規(guī)范采集相控點；其次利用大疆M300無人機對研究區(qū)域進行外業(yè)航拍，獲取原始照片數(shù)據(jù)；然后利用Context Capture實景三維模型處理軟件平臺將獲取的原始照片數(shù)據(jù)處理生成三維模型與數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)；最后利用GlobalMapper對數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與點云分類，制作滿足自然資源一體化建設(shè)中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

項目研究的主要技術(shù)路線如圖1。

圖1 研究技術(shù)路線圖

2.2 數(shù)據(jù)資源結(jié)構(gòu)體系

自然資源相關(guān)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)體系在自然資源管理一體化建設(shè)中具有重要的作用。數(shù)據(jù)體系的構(gòu)建是自然資源一體化建設(shè)的重要基礎(chǔ)，其主要包括數(shù)據(jù)空間參考標準、數(shù)據(jù)集體系設(shè)計兩個部分。

2.2.1 數(shù)據(jù)空間參考標準

①平面坐標系統(tǒng)。

平面坐標系統(tǒng)：2000國家大地坐標系；

投影方式：高斯-克呂格投影，中央子午線：115°30′00″，投影面為參考橢球面。

②高程系統(tǒng)。

高程基準：1985國家高程基準。

2.2.2 數(shù)據(jù)集體系

保定市高鐵片區(qū)自然資源一體化建設(shè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系主要包含數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字柵格數(shù)據(jù)（DRG）、三維影像瓦片數(shù)據(jù)（OSGB）及社會人文表格數(shù)據(jù)。本研究主要設(shè)計包含矢量數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)及三維瓦片數(shù)據(jù)的空間地理信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，其詳細數(shù)據(jù)內(nèi)容包含如下：

①數(shù)字線劃圖（DLG）。

數(shù)字線劃圖為地形圖的表示形式，是在地形圖上重要地理實體單元按對應(yīng)規(guī)范分層存儲的矢量數(shù)據(jù)集。數(shù)字線劃圖包括地理空間特征信息和其他屬性特征信息，可為政府相關(guān)部門在城鄉(xiāng)規(guī)劃、環(huán)境保護、土地管理、經(jīng)濟發(fā)展分析等各個方面提供決策依據(jù)。

②數(shù)字正射影像圖（DOM）。

利用航空相片通過空三解算、控制點量算及象元糾正獲得的數(shù)字正射影像，屬于數(shù)字柵格圖的一種。數(shù)字正射影像圖具有的信息豐富直觀性可以方便非專業(yè)人員的使用，從中可直接提取地理實體單元信息和社會經(jīng)濟信息。

③數(shù)字高程模型（DEM）。

數(shù)字高程模型是以高程表達地面起伏形態(tài)的數(shù)字柵格數(shù)據(jù)集，可以作為遙感影像正射糾正的輔助基準數(shù)據(jù)。

④數(shù)字表面模型（DSM）。

數(shù)字表面模型是同時包含了地表的建筑橋梁、交通水系、樹木植被等所有地表固定地物高度的地面地物高程模型。其既包含了數(shù)字高程模型（DEM）的高程信息，又包含了地表實體地物的表面屬性信息，被用在多個領(lǐng)域。

⑤實景三維模型（MESH）。

實景三維是客觀真實反映現(xiàn)實世界的三維模型，具有單體化、實體化的特點，是對真實世界的三維表達，通過三維模型的方式在電腦上進行數(shù)字化展現(xiàn)。通過計算機平臺可以模擬展示地理實體在實際地表的情況。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

項目研究過程中，結(jié)合項目的施測范圍，通過實地踏勘，了解研究區(qū)域的野外實際情況，根據(jù)傾斜航測相關(guān)技術(shù)規(guī)范制定數(shù)據(jù)采集方案。選擇適當?shù)暮綔y無人機平臺，進行野外航片的采集。最后選擇數(shù)據(jù)處理軟件利用人機交互的方式，實現(xiàn)實景三維數(shù)據(jù)的制作。

3.1 硬件設(shè)備

綜合研究區(qū)域的城市實際發(fā)展狀況，本項目研究選用高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統(tǒng)大疆經(jīng)緯M300多軸旋翼機，相機采用賽爾102s相機。飛行器采取了多路冗余傳感器設(shè)計，充分保障了外業(yè)飛行作業(yè)的安全可靠性；同時具備長航時的續(xù)航與高效的數(shù)據(jù)獲取能力，保證了航片數(shù)據(jù)的采集效率。其無人機平臺及相機參數(shù)見圖2、表1。

圖2 大疆經(jīng)緯M300多軸旋翼機

表1 航攝儀參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)外業(yè)采集

對項目研究區(qū)域范圍進行實地踏勘，了解測區(qū)的情況行政區(qū)域分布，控制點保存情況，地形地貌，房屋分布如房屋密集程度，道路是否通視、樓層高度是否影響飛行安全等，通過對測區(qū)的踏勘，了解測區(qū)的基本情況，以便布設(shè)航線及控制點；同時，為保證地形測量精度，飛行相對高度較低，現(xiàn)場踏勘可以有效地掌握測區(qū)情況，保障飛行安全。

根據(jù)項目中數(shù)據(jù)采集精度的要求，在航測數(shù)據(jù)采集前需對研究區(qū)域進行控制點的采集，結(jié)合外業(yè)踏勘的實地情況，規(guī)劃像控點的采集位置。結(jié)合CH/T 2009-2010《全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量（RTK）技術(shù)規(guī)范》、GB/T 7931-2008《1:500 1:1000 1:2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》等規(guī)范要求，在測區(qū)內(nèi)間隔300米均勻地進行相片控制點的采集，其像控點應(yīng)選在相對穩(wěn)固的地點、內(nèi)業(yè)照片上能準確判讀出的特征地物處。

在CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中1:500比例尺成圖所需航片地面平均分辨率為主片不低于5cm，為提升三維模型的紋理細節(jié)與精度，本研究中無人機外業(yè)采集的相片分辨率為3cm。為保證后期三維模型效果的同時提升解析空三的精度，相機航向重疊度與旁向重疊度分別設(shè)置為不低于75%與80%，選擇氣象條件合適的時間完成測區(qū)的原始相片采集。

3.3 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理主要包含前期實景三維數(shù)據(jù)的制作與后期矢量地形圖、數(shù)字正射影像與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

3.3.1 實景三維數(shù)據(jù)的制作

本文在實景三維建模過程中利用的是目前市場上利用率較高的ContextCapture軟件，其數(shù)據(jù)處理的自動化程度較高，不需要人工過多的操作即可將外業(yè)采集到的照片自動處理，通過解析計算獲取覆蓋相同區(qū)域照片的同名點數(shù)據(jù)，建立格網(wǎng)，經(jīng)過照片的紋理映射生成三維模型數(shù)據(jù)。其主要的技術(shù)流程如圖3。

圖3 傾斜攝影三維建模技術(shù)流程

在數(shù)據(jù)處理前需對無人機外業(yè)獲取的照片數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，以保證后期建模的順利進行及模型效果。照片的質(zhì)量檢查包括重疊度、模糊度、光線差異度等內(nèi)容，對質(zhì)量較差的照片采取重飛或者利用三方的圖片處理軟件進行處理。

在ContextCapture軟件中新建工程，根據(jù)外業(yè)的數(shù)據(jù)采集順序按照架次批量添加照片數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的空間信息及架次的相對關(guān)系進行初步檢查；對導(dǎo)入的照片數(shù)據(jù)進行自由網(wǎng)的空三計算，軟件根據(jù)導(dǎo)入的POS信息對照片的方位元素進行計算并生成密集點云；通過導(dǎo)入外業(yè)采集的像控點數(shù)據(jù)對自由網(wǎng)空三數(shù)據(jù)進行人工刺點，輔助計算機對數(shù)據(jù)進行絕對空三和平差計算；最后提交模型重建任務(wù)，完成實景三維模型的重建。如圖4所示。

圖4 實景三維模型效果

3.3.2 其他數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

ContextCapture軟件為用戶提供了多種的數(shù)據(jù)生產(chǎn)工具，軟件可以前期三維模型重建中生成的三維實景模型數(shù)據(jù)為參考，制作數(shù)字表面模型（DSM）與正射影像圖（DOM）。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)的制作是基于前邊數(shù)字表面模型（DSM）進行的。利用GlobalMapper軟件對DSM數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將DSM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點云數(shù)據(jù)；通過對點云數(shù)據(jù)進行分類提取，將點云數(shù)據(jù)中的房屋建筑、植被覆蓋及其他地表附著物剔除，建立三維格網(wǎng)；最后生成表示地形情況的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。

4 自然資源一體化數(shù)據(jù)成果

將生產(chǎn)得到的三維實景模型、DSM、DOM、DEM、數(shù)字線劃地形圖等數(shù)據(jù)，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)入自然資源一體化管理平臺的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多源異構(gòu)自然資源的一體化管理。其數(shù)據(jù)導(dǎo)入后的效果如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)融合后展示效果

5 結(jié)束語

本研究通過無人機傾斜航空攝影測量技術(shù)完成了研究區(qū)域內(nèi)實景三維模型、數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃地形圖的生產(chǎn)，為保定市高鐵片區(qū)的自然資源一體化建設(shè)中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)部分提供了多樣的數(shù)據(jù)類型，滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的需求，相對傳統(tǒng)的地形圖采集方法，不僅提升了地理空間數(shù)據(jù)的更新效率，保證了數(shù)據(jù)的實效性，還豐富了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫地理空間信息數(shù)據(jù)的類型。

無人機傾斜測量技術(shù)為保定市高鐵片區(qū)自然資源一體化建設(shè)提供了基礎(chǔ)的空間地理信息數(shù)據(jù)，間接的促進了自然資源一體化建設(shè)的發(fā)展研究，但自然資源一體化建設(shè)中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫包含更多的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為加快自然資源一體化建設(shè)，后期應(yīng)不斷研究新的數(shù)據(jù)采集方法，以滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)建庫的需求。