無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測量中的應(yīng)用研究

吳健雄

（泉州市房地產(chǎn)測繪隊有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

地籍測量是地籍調(diào)查工作的重要內(nèi)容[1]。傳統(tǒng)地籍測量是外業(yè)人員利用全站儀等儀器進行實測，再將測得數(shù)據(jù)給內(nèi)業(yè)人員處理，存在成本高、效率低等問題[2]。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)運而生，它通過建立一個穩(wěn)定的3D模型空間，然后選擇分辨率佳的航拍信息，提升測量和生產(chǎn)的質(zhì)量。3D 模型可以收集房屋信息、屋檐及廊道位置，并能夠自動消除人為因素誤差問題，方便進行測量任務(wù)。目前，無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地籍測量中的應(yīng)用越來越成熟，同時也為房地產(chǎn)開發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 地籍測量與房地產(chǎn)開發(fā)的關(guān)系

1.1 地籍測量

1.1.1 地籍及地籍調(diào)查的定義

地籍最初是為征稅而建立的簿冊，而現(xiàn)代地籍是指集合土地及其附著物的基本信息，以數(shù)據(jù)表示，并使用計算機管理為主。按照特點和任務(wù)的不同，可以分為城鎮(zhèn)地籍、農(nóng)村地籍。

地籍調(diào)查是為滿足土地登記的要求，通過地籍測量和權(quán)屬調(diào)查，查清宗地基本情況，并核發(fā)證書，它是土地登記的基礎(chǔ)工作，為土地、房產(chǎn)管理與開發(fā)提供可靠的基礎(chǔ)資料[3]。

1.1.2 地籍測量的特點及內(nèi)容

地籍測量作為土地管理的基礎(chǔ)性工作，以地籍調(diào)查、測量技術(shù)為根據(jù)和手段，遵循從整體到局部，先控制后掌握的原則，測定土地及其附著物的位置、類型、面積、權(quán)屬界線等，最后繪制地籍圖，以滿足土地管理部門的需要。地籍測量的總要求是面積準確。在地籍測量過程中涉及到的宗地分為工廠和私人住宅。工廠四周的界址點測量精度要高，而內(nèi)部非界址點地物測量精度可適當放寬；私人住宅的界址點及附近地物必須測量準確，否則會引起爭議。

地籍測量涵蓋界址點測量、地籍控制測量、地籍圖測繪、面積測算和土地信息動態(tài)監(jiān)測等內(nèi)容，凡涉及土地及附著物的權(quán)屬測量都可以歸為地籍測量。通過地籍測量有效保證土地開發(fā)的統(tǒng)一性、整體性以及規(guī)模性，確保土地整理質(zhì)量。

1.2 地籍測量在房地產(chǎn)開發(fā)中的作用

地籍測量是對地塊權(quán)屬界線的界址點坐標的確定，測量數(shù)據(jù)結(jié)果具有真實性和法律性。它是一項復(fù)雜且細致的工作，要求精度高且不能出差錯。在土地價格和房價飛漲的時代，地籍測量直接牽涉到住戶的利益，只有精準的測量數(shù)據(jù)才可以保證建筑物的安全性和可靠性，讓住戶放心。因此，地籍測量在房地產(chǎn)開發(fā)中發(fā)揮著舉足輕重的作用[4]。

2 房地產(chǎn)開發(fā)中地籍測量的基本方法

房地產(chǎn)開發(fā)中的地籍測量主要方法有：極坐標法、GPS測量法、CORS測量法和攝影測量法[5]。

2.1 極坐標法

極坐標法主要用于地籍界址點的測量，適用于地區(qū)寬廣、視線良好的區(qū)域。由于全站儀的廣泛使用，極坐標法可以有效獲取地籍要素。其測量原理如圖1 所示，選定已知控制點1 和控制點2，在控制點A架設(shè)測量儀器，并對控制點B做定向，利用目標點P與控制點A的距離S、目標點P與控制點B的角度值β，測定目標點P的位置坐標。

圖1 極坐標法測量原理圖

2.2 GPS測量法

GPS 又稱全球定位技術(shù)，將其應(yīng)用于采集地面上的位置數(shù)據(jù)日益廣泛。它是地籍測量中的重要技術(shù)之一，測量學(xué)因GPS 技術(shù)發(fā)生了巨大的改變。采用GPS技術(shù)測量的優(yōu)點在于全天候、人力少、精度高、操作便捷，減輕了外業(yè)人員的工作強度，降低了內(nèi)業(yè)人員的計算過程，確保測量結(jié)果的可靠性。由于地籍空間數(shù)據(jù)除了地理空間位置，還包括屬性信息，因此，外業(yè)人員需要將GPS 采集到的空間坐標數(shù)據(jù)在電子手簿上加以說明和描述，以保證采集到離散點數(shù)據(jù)具有相應(yīng)的特征和屬性項。例如：樹用Tree 表示，道路用Road 表示。GPS 技術(shù)在測量學(xué)中的應(yīng)用，使得房屋質(zhì)量更加有保障。但是，GPS 技術(shù)也存在一定的弊端，在建筑物密集和處于死角的小巷，難以測量到精確的數(shù)據(jù)。

2.3 CORS測量法

CORS是一種新型的GPS定位技術(shù)，它不僅可以滿足測量的精度要求，而且成本比GPS 低。由于城鎮(zhèn)測量要求的精度高，經(jīng)常采用CORS技術(shù)。該技術(shù)的原理是先勘探測量地區(qū)的地形地貌，然后均勻布置GPS 參考站，通過設(shè)置一個控制中心來接收各基準站數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，計算得出結(jié)論。利用CORS技術(shù)可以快速獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征，明確城市每一寸土地的歸屬問題，促進城市的不斷發(fā)展。

2.4 攝影測量法

攝影測量是利用攝影機獲取的像片，經(jīng)過處理以獲取目標物體的空間位置、形狀及大小，具有精度好、周期短、分辨率高等特點。攝影測量技術(shù)已有170 多年歷史，是我國當前城鎮(zhèn)地籍測量的主要方法之一。近年來，無人機傾斜攝影作為一種新興的測量技術(shù)，顛覆了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，從垂直和傾斜等5 個不同的角度采集影像，完全反映了地面物體真實情況，具有性價比高的特點[6]。

3 無人機傾斜攝影測量技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

3.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)的原理

在測量過程中，在保證測量邊長精度的前提下確定測量方案，在同一組飛行平臺中搭建多個傳感器，通過S型飛行方式同時拍攝垂直方向及4個傾斜方向等5個方向的影像，拍攝影像的同時記錄影像曝光瞬間的位置信息，再由計算機對影像進行處理，運用空中三角測量的方法求解坐標參數(shù)，并構(gòu)建3D 模型，通過軟件采集得到地籍要素，最終確定地理位置的規(guī)律，真實反映出周邊物體信息。無人機傾斜攝影3D 模型構(gòu)建有兩種方法，分別為Lidar 數(shù)據(jù)和傾斜影像結(jié)合、完全基于影像，此兩種方法存在著一定的聯(lián)系和區(qū)別[7]。

3.2 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的組成

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)由無人機系統(tǒng)、航線規(guī)劃軟件、傾斜攝影相機和數(shù)據(jù)處理軟件組成[8]。其中，無人機系統(tǒng)包括飛行平臺、任務(wù)裝置和地面控制站3部分，它采用無線電技術(shù)完成控制站發(fā)出信號命令。航線規(guī)劃軟件是通過動態(tài)讀取統(tǒng)計調(diào)查任務(wù)包，實現(xiàn)針對多個目標區(qū)域、多個目標點位的自動航線規(guī)劃，最終自動執(zhí)行航拍任務(wù)，同時支持航拍影像的實時回傳。傾斜攝影相機通常采用五鏡頭相機，從垂直方向及4個傾斜方向采集影像，涵蓋了頂視和側(cè)立面信息。由于專業(yè)測量相機成本較高，一般使用普通數(shù)碼相機，但是普通數(shù)碼相機存在無法進行內(nèi)定向計算和主光軸偏差等問題，需要對相機的內(nèi)方位元素、光學(xué)畸變的徑向和偏向畸變參數(shù)進行檢校。檢校采用的數(shù)學(xué)模型如公式（1）、（2）所示。

式中：Δx、Δy——為像點坐標畸變差改正值；

x、y——以像中心為原點的像點量測坐標；

x0、y0——像主點坐標；

r——像點向半徑；

k1、k2、k3——徑向畸變差相關(guān)系數(shù)；

p1、p2——偏向畸變差相關(guān)系數(shù)。

4 無人機傾斜攝影測量技術(shù)在房地產(chǎn)開發(fā)地籍測量中的應(yīng)用案例分析

4.1 試驗區(qū)及無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的選取

試驗區(qū)選取福建泉州安溪縣某村莊，地處安溪縣東北部，面積約0.8km2，研究區(qū)域多數(shù)為3層以下房屋，部分房屋帶有院落結(jié)構(gòu)。

無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)選取方面，利用大疆M600 多旋翼無人機、銳眼DIY－DG3pros 五鏡頭一體化攝影系統(tǒng)和ContextCapture 軟件進行傾斜數(shù)據(jù)采集。大疆M600多旋翼無人機具有小場地起降能力，可以保證航攝過程中的穩(wěn)定性。銳眼DIY－DG3pros 五鏡頭一體化攝影系統(tǒng)的影像分辨率控制在1.50cm 以內(nèi)，在保證無人機飛行高度的同時，要滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T 9015-2012）的精度評定要求，為后期在采房腳點能夠更加精準。ContextCapture軟件是一款根據(jù)傾斜數(shù)據(jù)自動生成三維模型構(gòu)建的軟件，滿足傾斜攝影照片實景建模的要求。合理設(shè)置完系統(tǒng)各項技術(shù)參數(shù)指標之后，根據(jù)測區(qū)實際狀況制定飛行計劃和航線設(shè)計。

4.2 像控點布設(shè)及測量

根據(jù)試驗區(qū)實際情況和飛行計劃確定像控點的分布，按照空三特征點點云的層面，每隔10000～20000個像素需要布設(shè)一個控制點，共布設(shè)6 列、6 行共36 個像控點，點與點之間的間距為100~120m。本次像控點以GoogleEarth 地圖影像為依據(jù)，應(yīng)用RTK 測量整個試驗區(qū)像制點的真實坐標，分布狀況如圖2所示。

圖2 試驗區(qū)控制點分布示意圖

4.3 空三加密

空三加密是本次無人機影像處理的關(guān)鍵步驟，對后續(xù)三維模型的精度有直接影響。傳統(tǒng)的加密方法及軟件無法滿足要求，ContextCapture 軟件空三加密為全自動解算過程，其原理是利用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差法，對1 張相片構(gòu)成的1 束光線進行平差，經(jīng)各光線束基于空間的旋轉(zhuǎn)及平移，把整體區(qū)域納入到控制點地面坐標系中，作業(yè)時，利用ASIFT 算法匹配多視影像的特征點，多張影像間的同一匹配點能夠準確疊合，獲取多影像之間的連接點。結(jié)合像控點和連接點的像點坐標，通過平差計算，獲取每張相片的外方位元素和加密點的地面坐標。

4.4 3D實景模型構(gòu)建

空三加密結(jié)束后，利用2000國家大地坐標系生成3D實景模型。在建立模型之前，切塊模式選擇規(guī)則平面格網(wǎng)切塊，解決計算機的性能問題，本次試驗輸出為OSGB格式。將空三加密結(jié)果導(dǎo)入到ContextCapture軟件，自動匹配影像中的同名點，構(gòu)成密集點云。軟件經(jīng)過TIN構(gòu)架、紋理映射生成3D實景模型，紋理貼合時的差異小，模型的真實性程度高，構(gòu)建的3D實景模型如圖3所示。

圖3 局部3D實景模型圖

4.5 傾斜三維數(shù)據(jù)采集

使用易繪軟件采集相片的地籍要素和三維模型數(shù)據(jù)，該軟件可以調(diào)用房（墻）角不同視角的多張影像，針對墻體的采集無需進行房檐改正，提高了工作效率和測圖精度。測圖時，選擇與地面相距1.2~1.5m 的角點位置，采用房角點采集法確保采集精度。對于模型變形的界址點，可以測定原始影像的真實點，結(jié)合3D實景模型采集和影像采集，確保采集的精度。二者均無法辨別的要素，采用外業(yè)人員補測的方法，保證測量的質(zhì)量。

4.6 精度評定

在試驗區(qū)內(nèi)，選取42 個界址點和36 條界址點間距，利用全站儀和測距儀量測野外實測界址點、界址點間距，獲取點位坐標及點位間距數(shù)據(jù)，并制作精度統(tǒng)計報表。采用高精度檢測中誤差計算公式進行計算，得出界址點中誤差為±3.50cm，界址點間距中誤差為±2.86cm，公式見式（3）。中誤差穩(wěn)定控制在±5cm以內(nèi)，滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T 9015-2012）的精度評定要求。

式中：M——高精度成果中誤差；

Δi——較差；

n——檢測點（邊）總數(shù)。

5 結(jié)束語

總之，房地產(chǎn)房產(chǎn)關(guān)系到千家萬戶的利益，其地籍測量是利益計算的依據(jù)，對測量精確度的要求自然是越來越高。無人機傾斜攝影測量技術(shù)憑借自身的特點和優(yōu)勢，可以真實準確地測量地籍數(shù)據(jù)信息，提升地籍測量工作效率及質(zhì)量。通過案例試驗區(qū)測量數(shù)據(jù)得出，在影像分辨率控制在1.50cm以內(nèi)的情況下，試驗區(qū)界址點中誤差為±3.50cm，界址點間距中誤差為±2.86cm，滿足規(guī)范的精度評定要求，實現(xiàn)了基于無人機傾斜攝影技術(shù)的地籍測量作業(yè)方法的實踐應(yīng)用。