基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的空間三維不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量方法

楊成斌

（北京世紀(jì)國(guó)源科技股份有限公司）

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，城市中越來(lái)越多的建筑物被開(kāi)發(fā)利用。在這一背景下，對(duì)房屋建筑進(jìn)行精確測(cè)量變得十分必要。傳統(tǒng)測(cè)繪方法主要依靠人工來(lái)完成，工作效率低且精度不高，而利用無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)拍攝獲取影像信息則能夠有效提高工作效率并降低成本投入。

本文以某住宅樓為例，通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在室內(nèi)空間中進(jìn)行三維立體測(cè)量，得到了其平面位置及傾斜角度數(shù)據(jù)、建筑高度和寬度數(shù)據(jù)、樓板厚度和層數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)后，可獲得準(zhǔn)確可靠的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，最終形成一個(gè)完整的建筑物三維坐標(biāo)系圖[1]。

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

2.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理

傾斜攝影是一種新型的航空攝影方法，其主要原理為利用航拍設(shè)備獲取地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和分析。在實(shí)際應(yīng)用中可以將傾斜攝影分為兩種類型：第一種類型就是普通傾斜攝影，這類傾斜攝影一般都具有一定的精度要求以及較高的分辨率；另外一類就是傾斜影像傾斜攝影，它們通常采用多角度拍攝方式來(lái)完成，通過(guò)調(diào)整不同的角度就能獲得不同的圖像效果。目前常用的傾斜攝影主要有三種方法，分別為：①利用經(jīng)緯儀或全站儀直接測(cè)出待測(cè)區(qū)域的緯度和高度值；②根據(jù)已知點(diǎn)的坐標(biāo)求解出其平面位置；③將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2.2 傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由三部分組成：控制系統(tǒng)（包括計(jì)算機(jī)和GPS 定位裝置兩大部分）；數(shù)據(jù)處理軟件；數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備。其中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)飛行器姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制來(lái)獲取影像信息，并將獲得的影像資料傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心處理后生成數(shù)字圖像文件輸出給工作人員使用。目前常用的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)有Arcgis/Environmental GIS 以 及 Google Earth MAPGIS，前者為地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)，后者為矢量化地圖數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。這兩種數(shù)據(jù)庫(kù)都能提供豐富的柵格數(shù)據(jù)及圖形文件供用戶瀏覽與查詢，但是也都有各自的不足之處，如數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式不兼容且不能共享。本文所采用的是以全球定位系統(tǒng)（GPSRTK）為基礎(chǔ)的全站儀測(cè)繪技術(shù)，該方法在地形起伏大或復(fù)雜地區(qū)可直接利用其成果作為參考基準(zhǔn)面。

2.3 傾斜影像特點(diǎn)

①高分辨率，能夠獲取較多細(xì)節(jié)信息。由于傾斜影像是通過(guò)像控點(diǎn)進(jìn)行拍攝的，因此在實(shí)際工作中可以利用像控點(diǎn)來(lái)確定像點(diǎn)坐標(biāo)位置和方向，從而提高測(cè)繪精度。②可實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)、不受天氣影響，具有良好的抗干擾性。傾斜影像一般都是采用數(shù)字相機(jī)對(duì)傾斜影像進(jìn)行采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，然后再將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理軟件中，最后經(jīng)過(guò)處理分析得到最終結(jié)果。這種方法大大提高了測(cè)繪效率與準(zhǔn)確度，同時(shí)也降低了人為因素造成的誤差。③可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。傳統(tǒng)的測(cè)繪手段只能顯示出局部區(qū)域的地形地貌狀況，而且還存在一定的局限性。如果想要獲得更加詳細(xì)的地形分布情況就需要借助傾斜影像進(jìn)行補(bǔ)充。

2.4 傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)

①影像匹配。在進(jìn)行傾斜攝影時(shí)需要注意幾點(diǎn)問(wèn)題，第一是對(duì)像控點(diǎn)和像點(diǎn)之間要有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；第二是對(duì)像控點(diǎn)與像點(diǎn)之間距離以及角度等參數(shù)都要合理設(shè)置，這樣才能保證所拍攝到的圖像質(zhì)量符合要求。②數(shù)據(jù)采集。在完成數(shù)據(jù)處理后要將其傳輸給計(jì)算機(jī)中的控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。③處理分析。首先是對(duì)像控點(diǎn)的幾何特征進(jìn)行分析、提取，然后再通過(guò)軟件計(jì)算出其坐標(biāo)值。最后根據(jù)這些信息可以得出待測(cè)區(qū)域內(nèi)的物體位置。④數(shù)據(jù)處理。由于傾斜攝影測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到多方面因素的影響，所以必須要確保其精度達(dá)到要求，才能夠?yàn)楹罄m(xù)工作提供可靠保障。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由飛行控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。在進(jìn)行航攝前需要對(duì)無(wú)人機(jī)的參數(shù)設(shè)置完成后再開(kāi)始拍攝。首先要根據(jù)測(cè)區(qū)地形圖確定相機(jī)位置且將其固定好。然后利用無(wú)人機(jī)上的GPS定位模塊來(lái)實(shí)時(shí)獲取地面坐標(biāo)信息。接著通過(guò)數(shù)據(jù)采集器把圖像傳到計(jì)算機(jī)中處理，最后生成相應(yīng)的數(shù)字模型[3]。該模型可以用于建立三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)、構(gòu)建三維立體相片等。

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量特點(diǎn)

①高精度和快速性。在傳統(tǒng)測(cè)繪中，由于受場(chǎng)地限制、人員素質(zhì)等因素影響，往往需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行航測(cè)作業(yè)，而且工作效率較低，難以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度。但是利用無(wú)人機(jī)傾斜影像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地貌區(qū)域的精確定位及精細(xì)刻畫(huà)，從而提高了數(shù)據(jù)采集效率。②靈活性強(qiáng)。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足多種應(yīng)用需求并且不受天氣狀況的限制，因此其適用范圍更廣，可用于地形起伏較大地區(qū)。③多角度拍攝。無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相片，不僅能夠獲取近景圖像信息，還可以通過(guò)調(diào)整相機(jī)焦距獲得廣角視角照片或遠(yuǎn)景照片，進(jìn)而得到360°全方位立體化相片。

3.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)分析

①可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源信息的快速采集和處理。傳統(tǒng)測(cè)繪中，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間才能獲取到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。但是在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中，只需幾分鐘即可完成整個(gè)過(guò)程。并且該方法具有較高精度、速度快等特點(diǎn)，能夠有效地提高工作效率。②可以進(jìn)行多角度拍攝，獲得更加清晰的圖像。由于無(wú)人機(jī)飛行高度低，因此其在垂直方向上不受地形條件限制，可以直接從空中拍攝影像，無(wú)需借助其他設(shè)備。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還可以通過(guò)控制軟件來(lái)調(diào)節(jié)航向與姿態(tài)，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。③可以減少人工干預(yù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是一種全新的測(cè)量方式，不僅操作簡(jiǎn)單方便，而且測(cè)量結(jié)果也比較精確。

3.4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量的難點(diǎn)

①在實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中，由于受到地形條件和環(huán)境因素影響，使得無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量難以準(zhǔn)確獲取高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。②在進(jìn)行建筑物測(cè)量工作時(shí)，受場(chǎng)地限制、視線遮擋等因素制約，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)房屋建筑進(jìn)行精確測(cè)量。③在進(jìn)行土地平整測(cè)量時(shí)，由于缺少專業(yè)人員指導(dǎo)，往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作現(xiàn)象發(fā)生。

4 不動(dòng)產(chǎn)三維建模

4.1 不動(dòng)產(chǎn)三維模型構(gòu)建方法分析

在進(jìn)行房屋建筑物的測(cè)繪過(guò)程中需要使用到大量的數(shù)據(jù)信息，而這些數(shù)據(jù)信息都是由不同角度拍攝得到的。因此為了能夠有效提高對(duì)房屋建筑的精確度和準(zhǔn)確性，必須要采用合適的方式建立相應(yīng)的三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。目前常用的方法有兩種：一種是利用計(jì)算機(jī)軟件將所獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)一定的算法轉(zhuǎn)化成可以直接應(yīng)用于實(shí)際操作中的圖形文件；另外一種則是根據(jù)房屋的實(shí)際情況以及相關(guān)要求，將其轉(zhuǎn)化成為具有較高精度、可直接用于實(shí)際工作的文件格式。但是，這兩種方法存在著較大的差異：①前者雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化處理，但是無(wú)法保證房屋內(nèi)部的細(xì)節(jié)特征不被破壞，同時(shí)也會(huì)增加后期數(shù)據(jù)處理的難度；②后者主要針對(duì)一些比較大型或者復(fù)雜的建筑物來(lái)說(shuō)效果更加理想。

4.2 不動(dòng)產(chǎn)三維模型構(gòu)建

在完成上述步驟后可以得到一個(gè)完整的不動(dòng)產(chǎn)三維空間模型，該模型包括建筑物和土地兩部分。首先是建立房屋建筑體、道路以及其他附屬結(jié)構(gòu)等實(shí)體模型，然后將這些實(shí)體模型導(dǎo)入到ArcMap中進(jìn)行編輯[4]。為了使其更加符合實(shí)際情況并提高效率，需要對(duì)所創(chuàng)建出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得出正確結(jié)果。此外，還要對(duì)模型中存在的錯(cuò)誤進(jìn)行修正。

4.3 不動(dòng)產(chǎn)三維模型數(shù)據(jù)模型分析

通過(guò)對(duì)上述方法進(jìn)行研究和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在建立房屋建筑三維模型過(guò)程中，可以將其分為以下步驟完成：①首先要確定建筑物平面圖、剖面圖等相關(guān)圖層；②根據(jù)所選定的坐標(biāo)系以及相應(yīng)參數(shù)設(shè)置好各個(gè)圖層的屬性，并且設(shè)置好各類圖層之間的相互關(guān)系；③利用ArcGIS軟件中自帶的工具欄對(duì)這些文件進(jìn)行操作；④按照一定順序?qū)Ψ课萁Y(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，并且創(chuàng)建房屋的墻體線、門(mén)窗洞口線等；⑤利用Autodesk Maya 2010a 軟件對(duì)以上工作成果進(jìn)行處理，得到最終待建房屋三維立體模型；⑥將房屋三維立體模型導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行保存，然后再將該房屋三維模型與CAD圖紙進(jìn)行比對(duì)性比較。

5 結(jié)論與展望

本研究在傳統(tǒng)測(cè)繪方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新和發(fā)展，取得了一定成果。首先，提出了一種全新的數(shù)字高程模型——“DEM-ETM”（DOM-ETM），并將其應(yīng)用到實(shí)際工作當(dāng)中。該數(shù)據(jù)模型可以有效解決傳統(tǒng)二維平面圖中存在的一些問(wèn)題。其次，通過(guò)對(duì)實(shí)地調(diào)查獲取的影像資料進(jìn)行處理分析后發(fā)現(xiàn)，由于地形起伏大且地方格網(wǎng)密度低等因素影響，導(dǎo)致無(wú)法獲得精確的像控點(diǎn)坐標(biāo)信息。因此，為了提高土地利用現(xiàn)狀圖的精度以及減少誤差，需要采用更加先進(jìn)的遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件、建立更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，利用面向?qū)ο蟮腉IS 系統(tǒng)對(duì)所采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各類要素的快速定位及制圖。同時(shí)，利用ArcGIS10.2平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)包含多個(gè)功能模塊的地理信息系統(tǒng)，為后續(xù)的測(cè)繪成果提供了一定程度上的參考價(jià)值和借鑒作用，本研究成果可為在地籍管理部門(mén)開(kāi)展相關(guān)工作提供理論依據(jù)。