無人機(jī)傾斜攝影在土地調(diào)查中的應(yīng)用

王新靜　姚怡燁 段晨鑫

摘 要：【目的】在我國(guó)土地調(diào)查發(fā)展過程中，常因技術(shù)手段存在缺陷，導(dǎo)致調(diào)查工作受到一定的影響。利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)來建立實(shí)景三維模型，通過三維模型來完成相關(guān)調(diào)查工作，使土地調(diào)查工作更加高效、便捷?！痉椒ā繛樘接憻o人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土地調(diào)查工作中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使用無人機(jī)搭載單目相機(jī)來采集影像，利用ContextCapture Center軟件進(jìn)行三維建模，并與實(shí)際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析三維模型的優(yōu)缺點(diǎn)?！窘Y(jié)果】結(jié)果證明了該方法的可行性，建立的三維建模的土地邊界清晰、建筑分明，可應(yīng)用到土地調(diào)查工作中。【結(jié)論】無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可提高土地調(diào)查工作的完成效率，同時(shí)為我國(guó)未來的國(guó)土調(diào)查等工作提供支持。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；攝影測(cè)量；土地調(diào)查；三維建模

中圖分類號(hào)：P231? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）03-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.002

Application of UAV Oblique Photography in Land Survey

WANG Xinjing YAO Yiye DUAN Chenxin

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：[Purposes] In the development process of land survey in China， defects in technical means often have a certain impact on the normal progress of the survey work. This paper uses unmanned aerial vehicle tilt photography technology to establish a realistic 3D model， through which relevant survey work is carried out， making the land survey work more efficient and convenient. [Methods] In order to explore the application advantages of drone tilt photogrammetry in land survey work， images collected by drone equipped monocular cameras were used for 3D modeling using ContextCapture Center software， and compared with actual survey results to analyze the advantages and disadvantages of the model. [Findings] The results have proven the feasibility of this method. The 3D modeling results in clear land boundaries and clear buildings， which can be applied to land survey work. [Conclusions] Drone tilt photography technology can increase efficiency in completing land survey work and also provide a basis for future land survey work in China.

Keywords： UAV; photogrammetry; land survey; three-dimensional model

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，各個(gè)城市土地資源供給越發(fā)稀缺。因此，土地調(diào)查對(duì)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的重要性不言而喻。然而，在土地調(diào)查過程中往往會(huì)遇到地物遮擋、植被掩蓋或受極端惡劣天氣影響等一系列問題。為解決這些問題，我國(guó)正在逐步應(yīng)用各種新型技術(shù)，其中，相對(duì)來說更為應(yīng)用廣泛技術(shù)是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是近年來發(fā)展十分迅猛的一項(xiàng)攝影測(cè)量技術(shù)，通過在多旋翼或固定翼無人機(jī)上搭載單/多鏡頭的傳感器或雷達(dá)，從多個(gè)角度對(duì)待測(cè)地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù)，利用pos文件來確定傳感器的精確位置，通過地面控制點(diǎn)來計(jì)算出影像的坐標(biāo)信息。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量、攝影測(cè)量與遙感等測(cè)繪技術(shù)的有力補(bǔ)充，具有機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，在快速獲取小區(qū)域和飛行困難地區(qū)的高分辨率影像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［1］。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)通過傾斜相機(jī)系統(tǒng)來采集地面物體形態(tài)、方位等數(shù)據(jù)。傾斜攝影技術(shù)使用的設(shè)備包括無人機(jī)、相機(jī)系統(tǒng)、POS系統(tǒng)。相機(jī)系統(tǒng)通常搭載多個(gè)傳感器，只有一個(gè)傳感器采集垂直影像信息，其余傳感器分別采集垂直影像中地物的前后左右方向的高分辨率傾斜影像，可完善、精準(zhǔn)地獲得地物數(shù)據(jù)［2］。

1.1 傾斜攝影技術(shù)特征

傾斜攝影技術(shù)具有以下特征：①通過傾斜攝影技術(shù)所獲取的影像數(shù)據(jù)包含了地物的形態(tài)方位等信息，可對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)。利用專業(yè)軟件可在影像上測(cè)量出地物的長(zhǎng)度、高度、坡度等數(shù)據(jù)，也可以計(jì)算出地物面積。同時(shí)，利用相關(guān)軟件對(duì)傾斜照片進(jìn)行數(shù)字線劃圖及數(shù)字地表模型、數(shù)字正射模型等數(shù)據(jù)成果的輸出；②傾斜攝影相機(jī)系統(tǒng)使用五個(gè)不同角度的相機(jī)對(duì)地物信息進(jìn)行采集，影像可全方位、多角度地反映出地物信息，更加真實(shí)地展示拍攝目標(biāo)物的外觀，進(jìn)而得到目標(biāo)地物各個(gè)方向的參數(shù)，為三維模型的建立提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；③傾斜攝影技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)效率更高。傾斜攝影技術(shù)大多依賴于無人機(jī)技術(shù)，以無人機(jī)為載體，可快速靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)地物信息的獲取。同時(shí)，無人機(jī)體積小、造價(jià)低、操作簡(jiǎn)便、不受環(huán)境條件制約，通過傾斜攝影技術(shù)可獲取豐富地物紋理數(shù)據(jù)，可有效提高三維建模的速度，降低成本。

1.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢(shì)

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可將土地開發(fā)前后的真實(shí)情況相對(duì)比，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)嵭袆?dòng)態(tài)監(jiān)管、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可滿足大比例尺地形圖測(cè)繪的高精度要求。在使用無人機(jī)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集過程中，一般來說，無人機(jī)航高較低，且相片重疊度比較高，可為重建過程中的多余觀測(cè)提供大量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)重建精度［3］。無人機(jī)低空攝影技術(shù)受天氣環(huán)境因素的影響小，在規(guī)劃好測(cè)區(qū)范圍后，可在短時(shí)間內(nèi)收集到測(cè)量區(qū)域內(nèi)地物影像數(shù)據(jù)，還可在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出地表的真實(shí)三維模型，且對(duì)外業(yè)實(shí)地踏勘的要求?。?］。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在土地調(diào)查中的應(yīng)用

目前，我國(guó)土地調(diào)查工作可分為土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和地籍調(diào)查，我國(guó)所進(jìn)行的三次土地調(diào)查都是圍繞著這兩方面內(nèi)容進(jìn)行的。

2.1 地籍調(diào)查

將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有效地應(yīng)用于土地調(diào)查的地籍調(diào)查中，包括以下四個(gè)方面：①獲取影像資料。土地調(diào)查人員在進(jìn)行土地權(quán)籍調(diào)查時(shí)，可充分利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)大范圍、高效率的特點(diǎn)來獲取地表影像資料，能獲取完整準(zhǔn)確的地面信息。相比其他遙感技術(shù)，使用無人機(jī)獲取的影像資料數(shù)據(jù)量更小，后續(xù)處理也會(huì)更加方便簡(jiǎn)潔；②測(cè)繪數(shù)據(jù)的收集。在地籍調(diào)查過程中，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取測(cè)繪數(shù)據(jù)的方式一般有兩種。一是手動(dòng)采集，即調(diào)查人員運(yùn)用現(xiàn)代化設(shè)備對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，選擇與現(xiàn)場(chǎng)的拍攝畫面相匹配的影像。二是自動(dòng)加密采集［5］。自動(dòng)加密采集是在獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)后，調(diào)查人員將信息保存到指定的存儲(chǔ)地點(diǎn)，并進(jìn)行加密處理；③土地勘測(cè)定界。為了能保證土地勘測(cè)定界工作順利進(jìn)行，應(yīng)先在國(guó)土資源管理部門的統(tǒng)一安排下，調(diào)查區(qū)域內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀調(diào)查成果資料收集，并收集好土地地籍調(diào)查資料、土地權(quán)利人等信息的證明材料［6］；④突發(fā)事件應(yīng)急［7］。在調(diào)查人員進(jìn)行土地調(diào)查過程中，尤其是在進(jìn)行外業(yè)測(cè)量等作業(yè)時(shí)，環(huán)境影響因素非常大，容易出現(xiàn)某些自然災(zāi)害的突發(fā)事件，如地震、山體崩塌等災(zāi)害，這些突發(fā)事件往往會(huì)對(duì)調(diào)查工作造成阻礙，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){調(diào)查人員的生命安全，無法使用普通的技術(shù)手段進(jìn)行調(diào)查工作。所以，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用可以更加妥善的對(duì)這類問題進(jìn)行處理。將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有效應(yīng)用于突發(fā)事件中，可在第一時(shí)間查探災(zāi)害情況，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為后續(xù)救援工作的開展提供關(guān)鍵信息。

2.2 土地利用現(xiàn)狀調(diào)查

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用主要有以下三個(gè)方面。

①內(nèi)業(yè)預(yù)判。內(nèi)業(yè)預(yù)判是指根據(jù)統(tǒng)一制作的正射影像或?qū)嵕叭S模型對(duì)地類進(jìn)行預(yù)判，并通過分析原有的調(diào)查資料進(jìn)行輔助工作［8］。在我國(guó)第三次國(guó)土調(diào)查工作中，國(guó)家下發(fā)的底圖影像是二維正射影像，二維正射影像在拍攝過程中容易受到時(shí)間和光照的影響，降低耕地邊界繪制的準(zhǔn)確性。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在我國(guó)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用，不僅能有效彌補(bǔ)二維正射影像只能提供地物頂部信息方面的缺陷，還可為內(nèi)業(yè)預(yù)判工作提供豐富的數(shù)據(jù)。具體來說，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)產(chǎn)生的實(shí)景三維模型具有高真實(shí)性、高精度的特點(diǎn)，可將地物紋理信息，準(zhǔn)確、清晰地反映出來，調(diào)查人員可根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)對(duì)實(shí)景三維模型中的水體類型進(jìn)行判斷，有效節(jié)省對(duì)較為相似的地界（如水田和未硬化池塘）進(jìn)行二次判定的時(shí)間成本。

②外業(yè)舉證。在外業(yè)舉證過程中，調(diào)查人員需要對(duì)不同類型的舉證照片的角度、時(shí)間及坐標(biāo)方位等信息進(jìn)行詳細(xì)記錄。此外，還要將記錄到的信息與圖斑信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)比，這樣才算完成外業(yè)舉證工作。對(duì)比其他的技術(shù)手段，使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立的實(shí)景三維模型貼圖的分辨率相對(duì)較高，可精準(zhǔn)分辨出不同類型的地物，特別的，三維模型也可分辨出一些其他技術(shù)難以探測(cè)到的內(nèi)部地類特征。綜上所述，將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到外業(yè)舉證過程中，可在很大程度上解決各類差異性圖斑問題，并使外業(yè)舉證的工作效率得到很大提高。但是，外業(yè)舉證工作目前還存在一個(gè)較為嚴(yán)重的問題，即“林下房”的舉證工作。在“林下房”舉證照片采集過程中，由于舉證人員缺乏工作經(jīng)驗(yàn)等，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)舉證照片不合格或漏舉等問題，上述問題會(huì)阻礙接下來的舉證調(diào)查工作。常用的解決辦法是反復(fù)舉證，但會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力，導(dǎo)致調(diào)查工作時(shí)間延長(zhǎng)。運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可十分完整清晰地展示出“林下房”的側(cè)面與紋理，能有效避免重復(fù)舉證這一問題，節(jié)省了工作時(shí)間，從而提高外業(yè)舉證效率。在我國(guó)第三次土地調(diào)查外業(yè)舉證階段，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)從圖斑導(dǎo)入、航線自動(dòng)規(guī)劃，到成果DB包生成、舉證拍攝、上傳國(guó)土調(diào)查云平臺(tái)等環(huán)節(jié)均用到無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，既提高了核查的準(zhǔn)確性與作業(yè)效率，又為第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查工作的開展提供了技術(shù)保障［9］。第三次全國(guó)土地調(diào)查的最終目的是全面查清我國(guó)自然資源和土地資源，做到心中有數(shù)。在外業(yè)舉證調(diào)查中，在調(diào)查底圖范圍內(nèi)對(duì)所有圖斑的屬性進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，從而確保成果準(zhǔn)確真實(shí)。

③成果數(shù)據(jù)展示。根據(jù)之前全國(guó)土地調(diào)查的工作經(jīng)驗(yàn)，最終的調(diào)查成果通常有三種呈現(xiàn)形式，即文字調(diào)查結(jié)果、圖件調(diào)查結(jié)果、數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果。文字調(diào)查結(jié)果主要展示技術(shù)報(bào)告、工作報(bào)告及數(shù)據(jù)分析報(bào)告；圖件調(diào)查結(jié)果主要為每個(gè)調(diào)查區(qū)域中土地利用情況和一些專題圖件；數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果即土地調(diào)查過程中的各類數(shù)據(jù)信息。國(guó)家所呈現(xiàn)的土地調(diào)查成果相對(duì)來說已經(jīng)非常全面，但調(diào)查成果之間過于獨(dú)立，很難形成一些關(guān)聯(lián)，且調(diào)查成果大多以二維數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，查閱者難以理解，無法有效利用相關(guān)信息，更不能對(duì)細(xì)節(jié)方面進(jìn)行充分研究。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以有效解決土地調(diào)查中成果數(shù)據(jù)過于獨(dú)立的問題。首先，使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立的實(shí)景三維模型真實(shí)、清晰、還原度高，成果顯示豐富細(xì)膩。其次，三維模型能有效被二維矢量圖斑切割，在很大程度上能減少三維模型的存儲(chǔ)與運(yùn)行所占用的空間，并能結(jié)合實(shí)際情況，選擇相同或不同的地物模型進(jìn)行顯示或編輯，從而保障了數(shù)據(jù)成果的專業(yè)性。最后，以三維數(shù)據(jù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，將文字、圖件與數(shù)據(jù)成果融入三維模型數(shù)據(jù)中，就可在同一個(gè)三維模型中對(duì)不同形式的成果進(jìn)行展示，提高數(shù)據(jù)成果展示的直觀性，并有效改善成果數(shù)據(jù)管理的統(tǒng)一性［10］。

3 無人機(jī)傾斜攝影三維建模的應(yīng)用

三維建模技術(shù)是整個(gè)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)中最為重要的技術(shù)，是無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量完成后進(jìn)行的有針對(duì)性的項(xiàng)目，三維實(shí)景模型的質(zhì)量與后期的使用效果息息相關(guān)。先將不同設(shè)站的垂直角度相片與傾斜角度相片相結(jié)合，從而形成對(duì)地面的二度或三度重疊，保證傾斜攝影影像組能完整地覆蓋整個(gè)調(diào)查區(qū)域。再利用內(nèi)外方位元素對(duì)傾斜攝影相片組的幾何空間姿態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，利用地面控制點(diǎn)對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)景的三維建模。傾斜攝影三維建模技術(shù)流程如圖1所示。

本研究使用ContextCapture Center軟件對(duì)鄭州市某地區(qū)進(jìn)行三維建模，使三維建模技術(shù)從理論層面過渡到實(shí)踐層面，通過對(duì)無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將三維數(shù)據(jù)清楚、立體地展現(xiàn)出來，并利用模型對(duì)無人機(jī)傾斜攝影在土地調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行分析。觀察三維建模對(duì)耕地的建模效果，以此來論證將無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)應(yīng)用到調(diào)查全國(guó)耕地面積之中的可行性。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后按流程進(jìn)行操作，最終得到實(shí)景三維模型，如圖2所示。

由圖2可知，在建立三維模型后，所需要的地物信息、特征等都可清楚表達(dá)，很好地展示出了建筑物位置及土地類別，從而極大地提高了影像的利用價(jià)值，可滿足土地調(diào)查需要。

由試驗(yàn)可知：首先，通過建模成果可清楚地觀察到建筑物的側(cè)面信息，打破了傳統(tǒng)技術(shù)只能得到正射影像的限制，能更加完整地獲得地物信息，有利于土地調(diào)查工作的進(jìn)行；其次，使用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，更加方便快捷，可有效提高土地調(diào)查工作的效率；再次，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)受天氣或環(huán)境的影響小，對(duì)外業(yè)勘測(cè)的工作要求不高，模型也更加真實(shí)；最后，無人機(jī)傾斜攝影三維建模造價(jià)更低廉，在為土地調(diào)查工作提供更為精準(zhǔn)模型的同時(shí)，成本也得到更為有效地節(jié)約。

4 結(jié)論

本研究主要介紹了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在土地調(diào)查中的應(yīng)用，包括無人機(jī)傾斜攝影的技術(shù)特征及技術(shù)優(yōu)勢(shì)、無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在地籍調(diào)查與土地利用現(xiàn)狀調(diào)查中的具體應(yīng)用，并利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維建模構(gòu)建。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為我國(guó)土地調(diào)查工作提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)三維建模的數(shù)據(jù)成果可滿足土地調(diào)查需求，且相較于傳統(tǒng)的土地調(diào)查手段，使用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)所構(gòu)建的實(shí)景三維模型進(jìn)行土地調(diào)查，數(shù)據(jù)信息的豐富程度明顯提高，工作效率大幅提升，調(diào)查工作的成本也能有效降低。此外，將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于土地調(diào)查中，更有利于調(diào)查工作后期的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)分析。

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