無人機傾斜攝影在水利水電工程移民實物調查中的應用

劉芳，周毅，曾艷菲，陳峰，趙國慶

(浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002)

0 引言

水利水電工程移民實物調查工作主要是對工程涉及區域內的各類實物指標進行數量和質量上的測量、登記，是水利水電工程移民安置中的重要環節。目前，社會各階層逐漸意識到以往水利水電工程“重工程，輕移民；重搬遷，輕安置”的弊端[1]及其對移民生產生活帶來的不良影響，并且隨著人民生活水平和自身權益保護意識的提高，水利水電工程移民安置過程中涉及的實物補償成為移民關注的重中之重，稍有不妥便易引起上訪、聚集鬧事等群體性事件。此外，移民實物成果是水利水電建設項目論證規模與控制投資的決定性因素之一[2]。因此，作為移民安置基礎的移民實物調查便顯得尤為重要。

實物調查內容涉及土地、人口、房屋、企事業單位、專業項目(交通、電力、通信等)等，目前通用的移民信息采集方式包括傳統紙質調查方式和應用調查信息系統2種[3]，但是2種方式均需要調查人員攜帶繁重設備深入項目所在地，長期駐扎進行逐戶或逐項調查，工作內容瑣碎復雜，工作方式機械單一，需要投入大量的人力、財力、物力[4]。對于關系到實物補償的房屋調查，更需要調查人員對每一幢大小、新舊不一的房屋進行現場測量，十分耗時費力。因而，如何在水利水電移民工程前期階段快速并且準確地調查移民實物信息，同時減少對項目地居民的影響，對于工程方案比選、移民安置概算、水庫水電站項目的導截流蓄水方案確定等項目決策具有重要意義。

近年來，隨著地理信息技術和低空航空攝影測量的快速發展，無人機航空攝影已形成專門的產業服務鏈，在大比例尺地形圖制作、建筑物三維建模、農村地籍測量、城市規劃、交通選址等方面應用廣泛[5-8]。無人機傾斜攝影是無人機航空攝影中的重要組成部分，通過在無人機上搭載多個傳感器，同時對地物的前后左右及頂部5個方向進行攝影，獲取不同方向的具有一定傾斜角度的影像，同時記錄拍攝時間、拍攝點的位置信息、航速和航高等基礎信息，可以在短時間內完整地獲取地物信息，建立三維模型。無人機傾斜攝影具有快速靈活、精度高、效率高、成本低等許多優勢，對于城市建設、自然資源調查和社會發展具有重要推動作用。目前，無人機傾斜攝影技術在水利水電領域的應用多集中在地形測繪、與BIM技術結合展示工程模型等方面，在移民安置過程中鮮有應用[9-10]。本文以浙江省葛岙水庫建設為契機，探討無人機傾斜攝影技術在移民實物調查領域的應用和精度，以期為水利水電工程移民實物調查工作的快速、準確開展提供一種可行的新方法，為項目決策快速提供基礎資料。

1 工作流程

結合移民實物調查的特點和無人機傾斜攝影的主要環節制定了本試驗的主要工作流程，具體如圖1所示。

圖1 工作流程圖

1.1 無人機影像獲取

作業區確定是航空作業的第一步，一般根據研究對象或項目要求確定。飛行方案設計則是結合作業區的特點設計作業方案，通常先搜集作業區的地形圖和歷史衛星影像資料，了解作業區的自然地理狀況，進行飛行方案設計，初步確定航攝比例尺、航高、影像重疊度、航攝分區、航攝時間、航飛路線等技術參數，再進行實地勘察，查看作業區內是否有高大遮擋物、高壓電塔等，根據實際情況調整相關飛行技術參數。實際航飛時將事先規劃好的航線載入無人機飛行控制系統，飛控手按照航線設計控制無人機執行航攝任務，航飛的同時，無人機搭載的多傳感器相機按照預先設定的拍攝時間間隔、傾斜角度等參數同時進行多方位的地物攝影，無人機的定位定向系統同步記錄拍攝時的無人機位置信息，完成傾斜影像及同步位置數據的獲取。飛行過程中，需及時將各個架次獲取的影像及航飛記錄文件下載至電腦，檢查數據完整性及數據質量，對未達要求的及時進行補飛。

1.2 三維模型構建

將無人機獲取的所有傾斜相片、相機傳感器及鏡頭參數、位置數據全部導入軟件，完成影像的檢查、合并等預處理步驟；然后導入外業獲取的作業區控制點，將控制點與影像人工進行關聯，利用航攝相片、航攝地物與航攝相機三者的幾何位置關系進行空中三角測量，獲取待求點的位置及像片外方位元素等，運用多視角傾斜影像匹配技術生成三維不規則三角網(triangulated irregular network，TIN)，對整體數據進行空三加密，獲取加密點云；最后生成數字表面模型(digital surface model，DSM)，對影像進行糾正生成真正射影像(true digital ortho map，TDOM)，建立初始三維模型，并利用影像給初始三維模型添加紋理，形成三維實景模型。模型建立過程中關注檢查模型質量，使之符合精度要求。

1.3 地物要素采集

將三維實景模型及真正射影像加載到專業的三維測圖及數據采集軟件中，利用軟件強大的圖形編輯及專業數據處理功能對作業區進行圖形屬性一體化采集。借助比較成熟的無人機傾斜攝影測量地形圖技術，獲取居民點、地貌、交通、管線、水系、植被等主要地物要素的地理位置及屬性信息，并對各地物要素進行分類分層存儲，同一類型要素均分為點、線、面、注記4個圖層。

1.4 移民信息提取

通過無人機傾斜攝影獲取的地物要素在分類上與現行的《水利水電工程建設征地移民實物調查規范》中的移民實物分類存在部分不一致的情況，而且地物的權屬關系無法確定，因此三維測圖完成后，需對采集的地物要素進行移民信息提取。移民信息提取采用的方法為外業調繪與現場詢問相結合，具體流程如下：1)針對內業采集的地物要素進行修補測，確保屬于移民實物調查規范中的實物內容清楚、明確、無遺漏；2)根據移民實物調查規范的分類要求對外業補調繪后的地物要素建立移民地理數據庫，實現圖屬關聯；3)通過公安戶籍部門將作業區的人口信息以行政村為單位逐戶輸出，通過工商行政主管部分將作業區的企事業單位的基本信息以行政村為單位逐一輸出；4)由作業區行政村的相關負責人協助，將房屋、附屬物、零星林果木信息與3)中的人口信息或企事業單位相對應，明確房屋的權屬及邊界，現場確定土地的邊界及對應的權屬人/單位；5)請涉及專業項目的相關主管部門對采集到的專業項目信息進行核對、補充、確認；6)通過作業區涉及的鄉鎮/街道獲取社會經濟信息；7)根據上述成果進行內業整理，完善移民地理數據庫中的地物信息，關聯移民地理數據庫中各地物的權屬人或權屬單位，調整房屋和地塊的邊界；8)檢查核對形成最終的水利水電工程移民實物數據庫。

2 實驗案例

本實驗結合葛岙水庫建設需求，選定浙江省寧波市葛岙水庫的建設征地范圍為作業區進行無人機傾斜攝影測量。

2.1 作業區概況

作業區位于浙江省寧波地區，屬于低山丘陵地帶，為集中式居民地。作業區范圍根據葛岙水庫建設征地范圍確定，面積約3.12 km2。

2.2 無人機航攝

本實驗采用自研的ZN1000+五鏡頭無人機航拍系統，該系統包括六旋翼無人機飛行器、傾斜攝影相機、飛行控制系統和地面控制站，是一套靈活性高、穩定性好的專業化航測系統，其中傾斜攝影相機為睿鉑RIY-D2五鏡頭相機，正攝21.8 mm定焦鏡頭，傾斜36.2 mm定焦鏡頭，傾斜角45°視場角，垂直鏡頭為航向65.4°、旁向56.2°，傾斜鏡頭為航向43.8°、旁向37.2°，可實現多方向影像獲取，具有體積小、重量輕、穩定性高和操作便捷的特點。ZN1000+五鏡頭無人機航拍系統可滿足測繪、電力、水利、國土等行業的基礎應用。

無人機飛行前對葛岙水庫建設征地范圍進行了實地踏勘，了解作業區環境和地形起伏情況，并收集了帶征地紅線的地形圖和現有控制點坐標。無人機航線是利用Zero-tech軟件結合地形及建設征地范圍形狀設計的最佳航線，本次實驗共飛行15個架次，圖2所示為第1架次的設計航線。本次航飛相對航高為168 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%。像元尺寸大小3.9 μm，像幅為6 000像素×4 000像素。航攝期間結合航線、地形情況、成圖精度及像控點布設規范在作業區采用區域網法布設像控點，采用選取作業區內的道路交叉口、地物拐角點等易于辨認的特征點及現場人工布設標志2種方式布設控制點，人工布標為每間隔350 m布設一個十字標(白色油漆或石灰)，并在水庫淹沒紅線的凸角轉折處予以加密。采用GPS-RTK測量技術施測，即在作業區內已知點架設基準站和移動站測量計算參數并校點合格后進行像控點測量，每個控制點測量3次取平均值作為觀測結果，3次測量值的較差要求平面小于2 cm，高程小于3 cm。控制采用CGCS2000平面坐標系及1985國家高程基準。

圖2 一架次飛行航線

2.3 三維建模與地物要素采集

本實驗采用Smart 3D商業軟件進行數據處理與三維建模[11]。主要過程為：建立模型工程；對數據進行預處理，預處理包括檢查影像及控制點質量，影像勻光勻色處理等；將獲取的影像數據導入軟件并添加相機參數；選擇空間坐標系并設置其他有關參數；添加外業獲取的控制點，進行影像自動匹配并將影像與控制點進行人工關聯；利用光束平差法進行空中三角測量以加密數據；生成高密度點云，在其基礎上生成三維TIN網格，再生成白模，最后對白模添加紋理，建立真三維模型[12]，完整并逼真地呈現作業區現狀。生成三維實景模型(圖3)的過程中同步獲取真正射影像(圖4)、數字高程模型、數字表面模型(圖5)等產品。本實驗生成的真正射影像精度為0.02 m，三維傾斜模型精度為0.06 m。

圖3 實景三維模型(局部)

圖5 數字表面模型

地物要素采集在商業軟件EPS中由專業三維測圖人員進行矢量化操作來獲取。首先在軟件中同時加載三維傾斜模型和超大真正射影像，在三維傾斜模型中利用繪點、繪線、繪面、線劃法、五點房等功能快速繪制不規則地物及標準房屋。繪制房屋的過程同時鍵入房屋屬性信息，包括結構類型、層高、層數、房屋外立面裝修情況等[13-14]，繪制附屬物、道路、管線、植被、河流湖泊等其他地物時也同步采集相關屬性信息(圖6)，無需房檐改正的房屋可直接在正射影像上快速繪制。操作過程中充分借助軟件提供的快捷鍵來提高數據采集效率，數據采集過程中嚴格執行《數字航空攝影測量測圖規范》相關測圖要求。

圖6 ArcMap中主要地物要素圖(局部)

2.4 移民信息提取

采集完各類地物要素后，對部分內業判斷有疑問的地物進行外業修補測，以確保實物內容齊全。修補測程序完成后得到完整可靠的地形圖，在地形圖的基礎上，根據《移民實物調查規范》對各地物要素進行分類存儲及掛接圖形的屬性數據，轉換為地理數據庫。通過相關部門及單位獲取人口、企事業單位等信息，形成以戶或家為單元的數據表單，并在作業區村鎮負責人的協助下與三維模型獲取的房屋、附屬物、零星林果木、地類地塊等信息關聯對應，同時明確地物要素采集過程中無法區分的房屋邊

界、地塊邊界等界址信息，確保各實物信息均確權到權屬人或權屬單位。此外，由專業項目主管部門確認專業項目權屬邊界，并補充相關屬性信息。通過上述過程獲取的實物數據及社會經濟信息組成完整的矢量型水利水電工程移民實物數據庫。

2.5 移民實物成果精度分析

《移民實物調查規范》中規定了不同階段的人口、房屋、耕園地及林草地等主要實物的調查精度，其中項目建議書階段的調查精度要求分別是人口(±10%)、房屋(±10%)、耕園地(±10%)、林草地(±15%)。由于三維傾斜模型獲取的移民信息主要為房屋、土地、附屬物和線狀專業項目，因此本實驗綜合選取房屋及地類地塊進行精度比對。結合項目關注實物尺寸、規模等數量信息的特點，本實驗在整個作業區范圍內均勻選取了102幢房屋與喜利得激光測距儀測量的房屋面積進行比對，選取24個地塊與采用GPS-RTK技術獲取的土地勘測定界成果進行對比，用于檢查通過三維傾斜模型測量的地物精度。三維傾斜模型測量的房屋面積與現場實際測量獲取的房屋面積對比分析情況如表1和圖7所示。三維傾斜模型測量的地塊面積與土地勘測定界的地塊面積對比如圖8所示。

表1 房屋面積差值范圍表

圖7 房屋誤差絕對差值散點圖

圖8 地塊面積相對誤差

根據表1中的平均值及中誤差，可以看出本次實驗房屋面積的精度較高，房屋面積相對誤差最大5.74%，最小的僅0.07%，各幢房屋面積的平均相對誤差比例為1.72%，達到實物調查可行性研究報告階段的±3%精度要求。圖7顯示三維傾斜模型測量的房屋面積與實際獲取的房屋面積差值集中在±3 m2之間，占64.71%。

根據圖8結果，地塊面積相對誤差最小為0.09%，最大為8.37%(溝渠)，平均相對誤差為2.30%，相對誤差超過3%的地塊共有7個(均為林地)，占選取的檢查地塊個數的29.17%。從圖中可以看出相對誤差主要取決于地塊面積，地塊面積越小，誤差越大。經過檢查，高大樹木遮擋及房屋密集分布是造成部分房屋及地塊誤差較大的主要原因。此外，信息采集與數據精度分析過程中，發現如下特點：1)三維傾斜攝影測量對于有弧形墻、缺角、非矩形、上下層墻體不對應等不規則的房屋特別適用，快捷方便遠超現場測量；2)樓間距過窄會導致三維實景模型變形，從而增大誤差；3)房屋墻體被綠色植物覆蓋時誤差增加；4)聯排房屋不易區分，測量時容易將多個權屬人/單位的房屋合并測量；5)祖傳老舊房屋一般單幢房屋分屬不同權屬人，基于三維傾斜模型測量時無法區分，必須依賴現場問詢；6)溝渠、道路等線狀地類受樹木遮擋，測量時需仔細；7)各地民居各具特點，測量前制定針對性方案極為必要。

綜上，本實驗基于無人機傾斜攝影開展的水利水電工程移民實物調查工作完全可以滿足《移民實物調查規范》中對項目建議書階段移民實物調查的精度要求，基本滿足可行性研究報告階段移民實物調查的精度要求(人口、房屋、耕園地精度要求均為±3%，林草地精度要求為±5%)，但在房屋權屬劃分到戶、地塊劃分到組等權屬界定方面限制性較多，需綜合現場問詢及修補測。

3 結束語

本文詳細闡述了應用無人機傾斜攝影技術開展移民實物調查的方法及工作流程，并以葛岙水庫移民實物調查為例，測試了無人機傾斜攝影技術在水利水電工程建設征地范圍三維實景建模及移民實物信息提取方面的可行性。無人機傾斜攝影測量技術在應對任務繁重、時間緊迫且入戶調查難度大的移民實物調查項目(尤其是未開展大比例尺地形圖測繪的項目)時具有明顯優勢，影像獲取簡單靈活，數據采集方便快捷，可大量節省外業調查的人力物力，提高移民信息采集的效率和準確率，為移民投資的準確估算及移民安置工作的穩步開展奠定良好基礎。而且在應用無人機傾斜攝影技術開展移民實物調查的過程中間接實現了水利水電工程建設征地范圍歷史風貌的高保真留存，工程建設后為移民保留了一份永久的影像記憶檔案。需要指出的是，本文僅測試了低山丘陵地區，并未對高山地區及高大建筑物密集的城區進行驗證，這2種區域的可行性需要進一步測試驗證；本實驗中影像地面分辨率為0.2 m，與精度要求較高的工程可行性研究階段的移民實物調查尚有差距，將來可以進一步驗證影像地面分辨率高達5 cm甚至3 cm時該方法的適用性。本文僅探討了無人機傾斜攝影技術在移民實物調查中的應用可行性，未來還可以探究無人機傾斜攝影技術在水庫導截流方案比選、與BIM技術結合輔助庫周交通改復建及移民安置區建設等移民安置其他方面的應用。