無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在房地一體測(cè)繪中的應(yīng)用研究

周立垚

（浙江省浙南綜合工程勘察測(cè)繪院有限公司，浙江 麗水 323050）

0 引言

近年來我國逐步開展了農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查及確權(quán)工作。該項(xiàng)工作普遍采用的外業(yè)數(shù)據(jù)采集方式為使用全站儀、激光測(cè)距儀等［1］，該作業(yè)方式理論基礎(chǔ)較為成熟，測(cè)繪成果精度較高，能夠?yàn)椴粍?dòng)產(chǎn)確權(quán)登記提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支撐。但該方法弊端也較為明顯，全站儀測(cè)量方法為單點(diǎn)測(cè)量，會(huì)使得測(cè)繪成果存在一定的局限性，無法直觀反映被測(cè)對(duì)象的表面紋理特征，且該方法作業(yè)周期長，內(nèi)業(yè)處理較為煩瑣，出圖效率低，需投入較多的人力物力。隨著不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)工作的快速推進(jìn)，傳統(tǒng)作業(yè)方式越來越難以滿足農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)快速更新的需求。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，為不動(dòng)產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速更新提供了新的解決方案。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模改變了傳統(tǒng)建模方法數(shù)據(jù)采集慢、建模周期長等弊端，大大提高了三維模型生產(chǎn)效率，同時(shí)也降低了建模成本，極大地提高了傾斜模型在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展前景［2］。本次研究利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)某地區(qū)進(jìn)行房地一體化測(cè)繪，采集研究區(qū)航攝影像數(shù)據(jù)，建立測(cè)區(qū)三維實(shí)景模型，從而獲取研究區(qū)房地一體化測(cè)繪成果。

1 傾斜攝影三維建模

以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行三維模型構(gòu)建，其流程主要可分為2 步：野外數(shù)據(jù)采集和三維模型構(gòu)建［3］。其中，野外數(shù)據(jù)采集包括控制點(diǎn)布設(shè)與量測(cè)、測(cè)區(qū)航攝影像采集等，像控點(diǎn)布設(shè)是無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的基礎(chǔ)，盡管一些研究人員提出了免像控三維建模方法，但是這種建模方式模型成果精度相對(duì)較差，難以滿足生產(chǎn)使用需求，因此本文選擇布設(shè)與量測(cè)像控點(diǎn)作業(yè)方式。測(cè)區(qū)航攝影像采集主要有單鏡頭采集和五鏡頭采集2 種作業(yè)方式，其原理基本相同，均利用搭載相機(jī)采集垂直角度以及前、后、左、右4 個(gè)傾斜角度的地表影像。單鏡頭采集是在無人機(jī)上搭載可旋轉(zhuǎn)的單相機(jī)鏡頭，無人機(jī)通過井字飛行方式完成5 個(gè)方向的地表影像采集工作，該方法硬件成本相對(duì)較低，但是航攝工作及數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，從而降低了三維模型生產(chǎn)效率；五鏡頭采集是在無人機(jī)上搭載5 個(gè)相機(jī)鏡頭，按照飛行航線同時(shí)采集5 個(gè)角度的地表影像，其硬件成本相對(duì)較高，但數(shù)據(jù)處理過程較為方便，三維模型生產(chǎn)效率較高，更有利于大范圍區(qū)域內(nèi)傾斜攝影三維模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集獲取。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維建模軟件逐漸向自動(dòng)化建模方向靠攏，各類建模軟件開發(fā)應(yīng)用逐漸成熟，但其原理基本一致，核心建模步驟主要包括5個(gè)方面，分別為影像稀疏匹配、空中三角測(cè)量、影像密集匹配生成密集點(diǎn)云、密集點(diǎn)云三角網(wǎng)構(gòu)建，以及自動(dòng)紋理映射生成實(shí)景三維模型［4］。

2 房地一體調(diào)查

房地一體調(diào)查工作是我國土地房產(chǎn)管理工作的基礎(chǔ)，其作業(yè)方法流程應(yīng)嚴(yán)格遵守不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查規(guī)程和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用已有土地房產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)成果，針對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，合理選擇數(shù)字測(cè)圖、三維激光掃描、傾斜攝影測(cè)量等作業(yè)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)，通過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理建立集圖形、屬性及登記信息為一體的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查數(shù)據(jù)，為不動(dòng)產(chǎn)登記發(fā)證提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。房地一體調(diào)查作業(yè)主要包含以下幾個(gè)方面：

1）測(cè)區(qū)現(xiàn)存數(shù)據(jù)資料收集。

在進(jìn)行正式作業(yè)前，首先應(yīng)對(duì)測(cè)區(qū)已有的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集歸納，主要包括與該項(xiàng)目有關(guān)的地區(qū)政策文件、測(cè)區(qū)內(nèi)各自然村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)等界線數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)高等級(jí)控制測(cè)量數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)各類型土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像圖及歷史地形圖等圖形數(shù)據(jù)。已有數(shù)據(jù)搜集完成后，在當(dāng)?shù)馗骷?jí)領(lǐng)導(dǎo)的協(xié)助下，向居民進(jìn)行房地一體調(diào)查宣傳，目的是向居民普及房地一體調(diào)查作業(yè)的必要性，使居民在后續(xù)工作過程中多多配合作業(yè)人員進(jìn)行調(diào)查測(cè)繪，提高作業(yè)效率。

2）測(cè)區(qū)地籍成果測(cè)繪。

本次研究采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行外業(yè)航攝數(shù)據(jù)采集作業(yè)，某些航攝盲區(qū)采用全站儀進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，采用專業(yè)數(shù)據(jù)軟件對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成能夠滿足規(guī)范及使用要求的地籍測(cè)繪成果，從而為房地一體化調(diào)查工作的開展提供測(cè)區(qū)地籍底圖。

3）房地一體化調(diào)查作業(yè)。

房地一體化調(diào)查是土地權(quán)屬調(diào)查和附著建筑物產(chǎn)權(quán)現(xiàn)狀調(diào)查同時(shí)開展的作業(yè)方法，有利于實(shí)現(xiàn)“三權(quán)統(tǒng)一”，提高土地、房屋權(quán)屬以及現(xiàn)狀調(diào)查測(cè)繪效率，實(shí)現(xiàn)房地調(diào)查測(cè)繪成果的統(tǒng)一管理。調(diào)查測(cè)量完成后即可進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，利用不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查建庫專業(yè)軟件工具進(jìn)行測(cè)區(qū)宗地圖繪制、房地一體數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、成果輸出等，輸出成果滿足規(guī)范要求后即可進(jìn)行入庫存儲(chǔ)。

3 傾斜攝影測(cè)量房地一體測(cè)繪

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次研究以某地區(qū)農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查測(cè)繪項(xiàng)目為研究對(duì)象，該項(xiàng)目測(cè)區(qū)面積約為1.37 km2，地形條件相對(duì)較為復(fù)雜，房屋建筑依托地形建設(shè)，分布相對(duì)較為零散。采用傳統(tǒng)全站儀單點(diǎn)測(cè)量方法工作量較大，需投入較多的人力物力。為提高作業(yè)效率，該項(xiàng)目采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行房地一體化測(cè)繪工作。

航攝作業(yè)前需進(jìn)行航攝規(guī)劃設(shè)計(jì)，首先依據(jù)航攝任務(wù)對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行報(bào)備，確定作業(yè)區(qū)域可以進(jìn)行航飛作業(yè)后繪制測(cè)區(qū)KML（Keyhole Markup Language）范圍線，進(jìn)行航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，確定航攝路線。之后依據(jù)天氣情況確定航攝日期，提前檢查無人機(jī)狀態(tài)，確?？梢赃M(jìn)行正常飛行作業(yè)。

像控點(diǎn)是無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的控制基礎(chǔ)［5］，飛行前需要在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)合理布設(shè)地面像控點(diǎn)，并確保像控點(diǎn)均勻布設(shè)且覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，以高精度GNSS-RTK 多次測(cè)量結(jié)果作為最終像控點(diǎn)成果數(shù)據(jù)。選定視野開闊的平坦區(qū)域作為起飛點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)際作業(yè)區(qū)域航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，并確保航向重疊度不小于80%，旁向重疊度不小于70%。若航攝區(qū)域內(nèi)高差較大，應(yīng)分塊分區(qū)域航飛作業(yè)，獲取研究區(qū)原始影像數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目使用大疆經(jīng)緯M 600 無人機(jī)搭載五鏡頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，選擇天氣晴朗、能見度較高的微風(fēng)天氣進(jìn)行航攝作業(yè)。無人機(jī)傾斜測(cè)量設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 無人機(jī)傾斜測(cè)量設(shè)計(jì)參數(shù)

航拍作業(yè)完成后，需對(duì)其成果進(jìn)行檢查，主要檢查內(nèi)容包括航攝影像是否完整、航拍照片曝光是否正常，以及POS 數(shù)據(jù)是否存在丟失現(xiàn)象等，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。外業(yè)航攝成果檢查完成后，將航攝影像分類存儲(chǔ)在同一個(gè)項(xiàng)目文件夾內(nèi)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影測(cè)量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包含以下幾個(gè)方面：首先是對(duì)航攝影像進(jìn)行勻光勻色、畸變改正等預(yù)處理［6］，確保航攝影像能夠滿足使用要求；然后對(duì)其進(jìn)行空三加密，經(jīng)檢驗(yàn)合格后即可生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和精簡，即可建立測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型。本文采用多視影像聯(lián)合平差技術(shù)對(duì)外業(yè)航攝獲取的傾斜影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，然后進(jìn)行多視影像密集匹配，生成能夠滿足使用要求的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并進(jìn)行測(cè)區(qū)建筑物紋理映射，從而得到測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型。以上數(shù)據(jù)處理過程均在Smart3D 軟件中進(jìn)行，通過設(shè)置所需參數(shù)即可完成自動(dòng)解算，操作方便，自動(dòng)化程度較高。

測(cè)區(qū)三維實(shí)景模型構(gòu)建完成后，需進(jìn)行地物地貌特征及屬性數(shù)據(jù)信息的內(nèi)業(yè)采集，主要有傳統(tǒng)立體測(cè)圖和專業(yè)數(shù)據(jù)軟件自動(dòng)提取2 種方式，專業(yè)數(shù)據(jù)的軟件自動(dòng)提取是在傳統(tǒng)立體測(cè)圖的基礎(chǔ)上，采用圖像識(shí)別算法將特征信息進(jìn)行自動(dòng)獲取，能夠降低立體測(cè)圖工作強(qiáng)度，但精度略低，很難達(dá)到傳統(tǒng)立體測(cè)圖效果。本項(xiàng)目使用EPS 軟件直接在三維模型上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，EPS 軟件不能直接識(shí)別OSGB 格式，需要使用EPS 三維測(cè)圖模塊將模型轉(zhuǎn)換成DSM 格式，才能將三維模型導(dǎo)入；EPS 支持同時(shí)在二維窗口加載超大影像，在三維窗口加載實(shí)景三維模型，采集房屋要素時(shí)，傳統(tǒng)操作需要進(jìn)行“房檐改正”，而三維測(cè)圖可直接采集到墻體表面，更加方便、準(zhǔn)確，大大提高了內(nèi)外業(yè)工作效率；對(duì)于軟件無法自動(dòng)提取的要素信息采用傳統(tǒng)立體測(cè)圖形式進(jìn)行人工采集，直至數(shù)據(jù)成果滿足要求為止。測(cè)區(qū)局部三維模型和房地一體化測(cè)繪成果如圖1 所示。

圖1 測(cè)區(qū)局部三維模型和房地一體化測(cè)繪成果圖

3.3 精度分析

房屋一體化測(cè)繪成果生產(chǎn)完成后，需對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)定，驗(yàn)證其是否滿足規(guī)范及使用要求，主要驗(yàn)證內(nèi)容為界址點(diǎn)精度及地物間距精度，規(guī)范精度要求如表2 所示。

表2 房屋一體化測(cè)繪成果精度要求 單位：m

為對(duì)房地一體化測(cè)繪成果界址點(diǎn)精度進(jìn)行科學(xué)評(píng)定，本次研究本著“均勻分布”的原則在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選擇了206 個(gè)界址點(diǎn)和161 條建筑物特征邊進(jìn)行校核，分別采用高精度全站儀和激光測(cè)距儀進(jìn)行界址點(diǎn)平面坐標(biāo)和特征邊邊長測(cè)量，并與房地一體化測(cè)繪成果中對(duì)應(yīng)界址點(diǎn)和特征邊進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如表3 和表4 所示。

表3 界址點(diǎn)點(diǎn)位較差分布

表4 地籍圖間距較差分布

通過對(duì)表3 分析可知：采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的房地一體化測(cè)繪成果界址點(diǎn)平面坐標(biāo)點(diǎn)位中誤差為0.031 2 m；與檢核點(diǎn)較差小于0.05 m 的界址點(diǎn)有178 個(gè)，占檢核點(diǎn)總數(shù)的86.41%；與檢核點(diǎn)較差位于0.05～0.10 m 區(qū)間范圍內(nèi)的界址點(diǎn)有26個(gè)，占檢核點(diǎn)總數(shù)的12.62%；與檢核點(diǎn)較差位于0.10～0.15 m 區(qū)間范圍內(nèi)的界址點(diǎn)有2 個(gè)，占檢核點(diǎn)總數(shù)的0.97%，遠(yuǎn)小于5%；沒有超過0.15m 的界址點(diǎn)較差。

通過對(duì)表4 分析可知：采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的房地一體化測(cè)繪成果地籍圖特征邊邊長中誤差為0.038 4 m；與檢核成果較差小于0.05 m 的地籍圖特征邊有133 條，占檢核成果總數(shù)的82.61%；與檢核成果較差位于0.05～0.10 m 區(qū)間范圍內(nèi)的地籍圖特征邊有25 條，占檢核成果總數(shù)的15.53%；與檢核成果較差位于0.10～0.15 m 區(qū)間范圍內(nèi)的地籍圖特征邊有3 條，占檢核點(diǎn)總數(shù)的1.86%，遠(yuǎn)小于5%；沒有超過0.15 m 的地籍圖特征邊間距較差。

綜上所述，采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行房地一體化作業(yè)，測(cè)繪成果精度較高，能夠滿足規(guī)范和生產(chǎn)使用要求，且可以大大降低工作量，提高作業(yè)效率。

4 結(jié)語

房地一體化調(diào)查工作是我國土地管理工作的基礎(chǔ)，與廣大人民群眾的個(gè)人利益息息相關(guān)，因此通過合理高效的作業(yè)方式對(duì)房地一體化數(shù)據(jù)成果進(jìn)行高精度生產(chǎn)輸出，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。本次研究以無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)房地一體測(cè)繪項(xiàng)目進(jìn)行航攝作業(yè)，利用Smart3D 軟件建立測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型，利用EPS 軟件提取不動(dòng)產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)房地一體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的快速獲取與更新，并對(duì)測(cè)繪成果進(jìn)行精度分析，確保能夠滿足規(guī)范精度和生產(chǎn)使用要求，既降低了項(xiàng)目成本，提高了作業(yè)效率，又保障了測(cè)繪成果質(zhì)量，為后續(xù)不動(dòng)產(chǎn)登記確權(quán)提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)，有利于推動(dòng)不動(dòng)產(chǎn)登記確權(quán)的快速發(fā)展與進(jìn)步。