基于無人機傾斜攝影的農(nóng)村“房地一體”測量技術(shù)研究

王建超，陳學(xué)彬，王重天，陳佳利

(1.常州市不動產(chǎn)登記交易中心武進分中心，江蘇 常州 213159；2.江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211102；3.常州市測繪院，江蘇 常州 213159)

0 引言

為促進農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展，深化農(nóng)村土地制度改革，支撐和保障人民群眾合法權(quán)益[1]，結(jié)合國家實施不動產(chǎn)登記制度的要求，國家積極推動農(nóng)村宅基地、集體建設(shè)用地及其地表房屋等建筑物、構(gòu)筑物的不動產(chǎn)測量及權(quán)屬調(diào)查工作[2]。傳統(tǒng)外業(yè)測量方法主要使用全站儀和RTK，精度高，滿足地籍、房產(chǎn)測繪規(guī)程要求，但工作效率低、成本高，難以滿足大范圍測量、短時間高頻度更新需求。農(nóng)村居民點宅基地分布分散，權(quán)籍調(diào)查中的“房地一體”測繪工作要求高、任務(wù)重，傳統(tǒng)測量作業(yè)方式應(yīng)用大范圍的農(nóng)村不動產(chǎn)測繪明顯影響了工作效率。

鑒于以上存在的問題，目前有些地方探索使用新裝備、新技術(shù)來高效完成農(nóng)村不動產(chǎn)測量工作，在測繪生產(chǎn)中采用無人機傾斜攝影技術(shù)進行農(nóng)村地區(qū)大范圍“房地一體”測繪數(shù)據(jù)采集具有諸多優(yōu)勢，可以解決大部分房屋界址點的測量，部分界址點精度甚至優(yōu)于傳統(tǒng)測量方式，很好地解決了傳統(tǒng)作業(yè)方法成本高、工作量大、時間長的問題；而且利用無人機傾斜攝影測量成果重建的三維實景模型進行“房地一體”測繪，具有現(xiàn)勢性好、成本低、效率高等特點；本文論述了無人機載傾斜攝影三維建模進行不動產(chǎn)測繪數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程，嘗試?yán)闷溥M行常州市廟橋村宅基地1∶500房產(chǎn)、地籍測繪生產(chǎn)實踐，并進行精度評定，檢驗結(jié)果表明該技術(shù)顯著提高外業(yè)生產(chǎn)效率，且成圖精度也符合國家地籍、房產(chǎn)技術(shù)規(guī)范要求。

1 機載傾斜攝影測量機理及技術(shù)流程

無人機傾斜攝影測量技術(shù)系統(tǒng)集成無人機飛行平臺、攝影測量和 GPS/IMU 系統(tǒng)[3]。通過一個垂直、4個傾斜、5個不同的視角同步采集影像，并且利用定位定向系統(tǒng)獲取影像的位置、姿態(tài)信息，全方位地獲取被測地物影像數(shù)據(jù)，得到豐富的地物頂面與側(cè)視的高分辨率紋理，高精度地獲取真實反映地物情況紋理信息，并通過先進的衛(wèi)星定位、大數(shù)據(jù)融合、三維模型構(gòu)建等技術(shù)，生成實景三維模型[4]；將實景三維模型導(dǎo)入模型測圖軟件中，按1∶500地籍、房產(chǎn)圖精度要求，完成全要素矢量化采集，匯集需補測的區(qū)域提交給外業(yè)利用傳統(tǒng)方式進行補測調(diào)繪，最終獲得符合精度要求的測繪成果。本文根據(jù)無人機傾斜攝影測量的技術(shù)特點，結(jié)合農(nóng)村大規(guī)模開展不動產(chǎn)調(diào)查測繪的要求，制訂技術(shù)流程如圖1所示，通過科學(xué)有效的技術(shù)流程，優(yōu)化建模軟件，改善高精度建模技術(shù)，獲取高精度三維實景模型，運用模型采集矢量數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)測量作業(yè)方式變更測繪時效性差、長周期、高成本的問題。

圖1 技術(shù)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 作業(yè)儀器設(shè)備確定

無人機平臺采用大疆M600六旋翼無人機，使用A3飛控進行導(dǎo)航和控制。大疆M600六旋翼無人機，飛行載重6 000 g，懸停精度垂直0.5 m，水平1.5 m，飛行速度18 m/s，最大飛行高度2 500 m，飛控系統(tǒng)型號A3，采用6塊獨立智能電池，續(xù)航時間約30 min。

傳感器采用睿鉑DG3傾斜攝影系統(tǒng)，為5鏡頭吊艙，相機型號為索尼ILCE-5100，下視鏡頭使用27.6 mm焦距，4個傾斜相機鏡頭使用40 mm焦距,像幅23.5 mm×15.6 mm(尺寸6 000×4 000像素，有效像素2 430萬),像元分辨率0.003 92 mm。4個傾斜鏡頭分別命名為“A”“W”“D”“X”鏡頭，下視鏡頭命名為“S”。

2.2 航線規(guī)劃

2.2.1 航高確定

飛行高度關(guān)系到飛行安全和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，是無人機傾斜攝影航線規(guī)劃的基礎(chǔ)；根據(jù)分區(qū)地形起伏和飛行安全條件等確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度，在地形圖上選擇高程點計算分區(qū)平均平面高程公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：h基為攝影分區(qū)基準(zhǔn)面高程；h高平均為分區(qū)內(nèi)高點平均高程；h低平均為分區(qū)內(nèi)低點平均高程。

結(jié)合航拍攝像機的性能和地面分辨率的需求，按照公式(4)確定航高：

H=f×GSD/a

(4)

式中：H為航高；f為焦距；GSD為地面分辨率；a為像元尺寸。

2.2.2 航線敷設(shè)

航線常規(guī)采用井字型航線，根據(jù)傾斜攝影精度要求及實地高程情況，合理確定航線間隔及航高。為保證攝區(qū)邊界完全覆蓋，平行于攝區(qū)邊界線的首未航線，敷設(shè)在攝區(qū)邊界線外；航線規(guī)劃需考慮總航程、總航飛時間、攝影總面積、當(dāng)天風(fēng)力及風(fēng)向、飛行平臺電池容量等因素；航線旁向重疊應(yīng)超出攝影區(qū)邊界大于50%像幅，旁向重疊高于 70%，航向重疊應(yīng)起碼超出 2～3條基線[5]；航攝像主點展點如圖2所示。

圖2 測區(qū)航線、像主點與像控點點位

2.3 航攝數(shù)據(jù)處理與三維實景模型構(gòu)建

本文利用Smart3D軟件處理航攝數(shù)據(jù)，獲得滿足1∶500空三精度要求的解算結(jié)果，最后利用該軟件進行實景模型構(gòu)建。

2.3.1 航攝數(shù)據(jù)處理

初始航攝影像是無序的，為能與空間對應(yīng)，并構(gòu)建接近真實狀態(tài)的實景模型，需進行空三解算操作；空三解算主要通過影像匹配提取的連接點以及部分地面控制點，將全部區(qū)域納入已知的控制點地面坐標(biāo)系中，獲得每張影像的外方位元素和加密點的地面坐標(biāo)[6]。解算前需外業(yè)補測像控點和像控檢查點，在軟件中，空三加密為全自動解算過程，導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)后進行空三加密，提取與匹配特征進行平差，通過平差優(yōu)化，從而對相機的內(nèi)方位進行優(yōu)化，再利用像控點信息進行二次加密；通過優(yōu)化相機參數(shù)、定位數(shù)據(jù)、影像質(zhì)量等提高解算精度[7]，解算完成后，成果可視化顯示如圖3所示。

圖3 空三加密可視化結(jié)果

2.3.2 三維實景模型構(gòu)建

由于影像數(shù)據(jù)量大，整體建模易受計算機性能不足影響，所以利用Smart3D建模軟件先將大塊數(shù)據(jù)進行分塊處理；分塊后按照生成密集點云->構(gòu)建三角網(wǎng)模型->紋理映射3個步驟進行模型重建；根據(jù)空三解算的影響外方位元素，進行多視影像密集匹配，檢索影像上的特征點、線確定二維矢量數(shù)據(jù)，再通過映射、濾波、融合等處理生成密集點云。以匹配的線元素作為限制條件，構(gòu)建三角網(wǎng)曲面，利用三角網(wǎng)曲面曲度變化來簡化模型數(shù)據(jù)并封裝，構(gòu)建三維白膜模型；最后通過紋理映射，對白模膜型進行貼圖[8]，獲得實景模型如圖4所示。

圖4 測區(qū)三維實景模型

2.4 房、地矢量數(shù)據(jù)采集

利用北京山維科技EPS測圖軟件加載OSGB格式實景模型數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上二三維聯(lián)動裸眼模式進行數(shù)據(jù)采集；EPS支持多窗口、二三維聯(lián)合工作、直接提取輪廓線，并能夠精準(zhǔn)反映測區(qū)建筑的數(shù)據(jù)，極大地提高數(shù)據(jù)采集精度和效率，降低個人失誤；采集界面如圖5所示，采集過程需注意以下問題。

圖5 測區(qū)三維模型測圖界面

(1)將視圖切換到正射模式或切片模式下采集。

(2)采集房屋時首先要在三維模式下查看房屋結(jié)構(gòu)，陽臺要單獨采集。當(dāng)房屋的每條邊線都能看清時，可以直接使用畫線工具；當(dāng)房屋的個別邊線或房角看不清時，可以使用“按邊采集”工具采集，在不確定的房角處做好標(biāo)記，以便外業(yè)核查。

(3)采集點狀地物時，在正射模式下要采集到地物的幾何中心位置，可以在切片模式下通過調(diào)整模型的高度來獲取最佳位置。

(4)測圖時按中心線量測寬度不依比例尺的線狀地物，一般量測符號寬度依比例尺表示的地物邊線。

(5)采集地物尤其是居民地要素時要注意要素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

(6)測圖一般以圖幅為單位，或者以路或河為界線。

(7)房角為內(nèi)凹房角，或是不好辨識，而墻面平整完好，查看房屋拐角處模型是否完整，利用自動垂直角點輔助線來進行檢驗與矯正誤差，控制端點之間的最大誤差在3 cm之內(nèi)。

為保證數(shù)據(jù)采集的精細(xì)度，工作人員做好采集全過程的質(zhì)量控制，需要對信息采集每一個細(xì)節(jié)進行檢核，確保各環(huán)節(jié)都能夠規(guī)范要求完成，某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致地籍、房產(chǎn)的測量精度不達標(biāo)。

3 應(yīng)用實例

3.1 測區(qū)概況

本次測區(qū)廟橋村位于常州市南夏墅街道東部，東臨禮嘉鎮(zhèn)，南靠前黃鎮(zhèn)、夏城路穿村而過，貫穿南北，全村總面積約2.0 km2，為平原地區(qū)，地勢平坦，平均海拔5 m左右，設(shè)17個自然村、30個村民小組，共1 092戶，常住人口3 665人。

3.2 模型測圖流程

為驗證無人機傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村“房地一體”測繪的可行性，設(shè)計研究區(qū)的測圖流程主要是：區(qū)域確定與資料準(zhǔn)備→外業(yè)踏勘→航線規(guī)劃→作業(yè)實施→數(shù)據(jù)采集→內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及建?！?、地矢量數(shù)據(jù)采集→檢查與成圖建庫；最后將內(nèi)業(yè)模型測圖數(shù)據(jù)與 RTK全站儀解析法實測數(shù)據(jù)疊加，進行高程、平面精度檢測。

3.2.1 外業(yè)踏勘

開展測區(qū)資料收集、分析，進行采集設(shè)備飛行器信息、人員信息登記；利用收集好的地圖數(shù)據(jù)，進行實地踏勘，對采集區(qū)域內(nèi)較高的樓層在地圖上做好標(biāo)記，以便在外業(yè)線路規(guī)劃中可以對飛行高度進行合理安排。提前規(guī)劃基站位置、飛行路線，盡量保證飛行安全。在踏勘過程中，與業(yè)主及當(dāng)?shù)毓膊块T進行項目備案，與涉及重點單位進行溝通。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

本次測區(qū)航高：135 m；地面分辨率：0.02 m。像片重疊度：旁向70%左右，航向80%；航線彎曲度：小于3%；像片傾斜角：小于2°；旋偏角：小于7°。影像質(zhì)量：顏色飽和無云影，色彩均勻清晰，層次豐富反差適中[9]。

3.2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及建模

內(nèi)業(yè)根據(jù)作業(yè)范圍選取像控點位，平均間距約為200 m，利用RTK進行外業(yè)施測；CORS系統(tǒng)進行實時差分，飛行器中記錄的POS即是已經(jīng)解算后的結(jié)果，無需再次解算。解算完成后采用TerraSolid軟件進行質(zhì)量檢查，檢查內(nèi)容包括以下幾點。

(1)是否覆蓋整個測區(qū)。

(2)航帶之間是否有不小于70%的重疊，是否有遺漏。

(3)航帶拼接是否滿足后期數(shù)據(jù)處理要求，誤差需控制在0.05 m以下，大于0.05 m時，返回數(shù)據(jù)預(yù)處理重新解算。

將質(zhì)檢后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D建模軟件，進行空三解算與建模，獲得棱角分明、紋理清晰，模型完整的測區(qū)三維場景。

3.2.4 三維模型測圖

測區(qū)三維模型成果導(dǎo)入EPS軟件，判斷地物的真實位置及結(jié)構(gòu)特征，并通過人機交互的切片工具，準(zhǔn)確捕捉建筑的每一個房角點，獲取建筑的各層結(jié)構(gòu)輪廓，二三維聯(lián)動裸眼模式繪制地籍圖，采集過程不能混淆房屋與房檐邊線，對未拍到的房角拐點，通過倒角來計算拐點坐標(biāo)，或進行外業(yè)補測；地籍圖成果導(dǎo)出為dwg格式并進行質(zhì)檢。質(zhì)檢通過并經(jīng)外業(yè)復(fù)核合格后，對地籍圖進行分層處理來采集房產(chǎn)圖數(shù)據(jù)；由于陽臺、走廊等是否封閉關(guān)系到房屋的權(quán)屬面積計算，需再結(jié)合調(diào)查照片識別陽臺、走廊、露臺、飄樓等房屋附屬結(jié)構(gòu)并判斷開閉狀態(tài)，測區(qū)部分采集成果如圖6所示。

圖6 局部地籍、房產(chǎn)測繪成果

3.3 精度分析

3.3.1 界址點點位精度分析

本實例檢驗了從無人機傾斜攝影、像控采集、空三加密、實景三維建模、三維模型測圖技術(shù)流程的可行性，外業(yè)采用RTK全站儀實測檢驗了內(nèi)業(yè)模型測圖成果精度。航攝常州市武進區(qū)廟橋村測區(qū)，共檢查平面點位30個，高程點位30個，檢查點平面位置中誤差為0.035 9 m，最大誤差為0.088 m；高程最大誤差為0.068 m，中誤差為0.028 2 m；點位精度滿足1∶500權(quán)籍圖成圖精度要求[10]。點位建模精度如圖7所示。

注：ΔX、ΔY、ΔDS為檢查點位模型與實測平面位置偏差值；ΔZ檢查點位模型與實測高程偏差值。

3.3.2 邊長精度分析

為了檢驗?zāi)Ｐ蜏y圖邊長精度，隨機選取了 30戶，利用測距儀實地量測邊長，與模型采集的邊長數(shù)據(jù)進行邊長精度評定，計算結(jié)果如圖8；高精度量測了 30條房屋界址邊長的最大殘差0.054 m，最小殘差0.007 m，邊長中誤差0.023 m，案例測量邊長精度符合了二級精度指標(biāo)要求。

注：Δd模型邊長與實測邊長偏差值。

利用無人機傾斜攝影進行二三維房地一體化采集不動產(chǎn)測量數(shù)據(jù)的方法，高度的實用性和靈活性，整體邊長精度中誤差在2～3 cm。成果成圖精度能夠滿足1∶500不動產(chǎn)權(quán)籍圖成圖的要求，整體效率和精度優(yōu)于傳統(tǒng)測量方式。平面精度75%左右在4 cm以下，部分誤差高于4 cm，主要由于房屋周邊遮擋導(dǎo)致模型效果差，或內(nèi)業(yè)人員測圖經(jīng)驗不足等因素影響，導(dǎo)致采集精度不高。所以，模型質(zhì)量的好壞和內(nèi)業(yè)人員的質(zhì)素直接影響成圖的精度。在繪制過程中，通過統(tǒng)一人員規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、保證建筑物模型邊角線平直無彎曲、整體無變形拉花，來提高采集精度。

4 結(jié)語

本文以江蘇省常州市農(nóng)村“房地一體”項目為導(dǎo)向，研究利用無人機傾斜攝影技術(shù)開展農(nóng)村“房地一體”測繪成果生產(chǎn)，并以常州市武進區(qū)廟橋村1∶500農(nóng)村不動產(chǎn)圖測量為例，分析了測繪成果所能達到的精度水平。測試結(jié)果表明，此次實施的技術(shù)流程可有效實現(xiàn)農(nóng)村不動產(chǎn)建模和量測，點位平面及高程精度達到了相關(guān)規(guī)范成圖精度要求[11]，該技術(shù)流程可行，不動產(chǎn)測繪成果已應(yīng)用于當(dāng)?shù)夭粍赢a(chǎn)登記頒證工作。

該技術(shù)為農(nóng)村不動產(chǎn)調(diào)查登記頒證工作提供了精準(zhǔn)服務(wù)，通過內(nèi)業(yè)采集高程，避免外業(yè)房檐改正、極大減少外業(yè)工作，提升了整體工作效率，同時還得到了高分辨率實景三維模型、DOM等。有效解決了傳統(tǒng)方式周期長、成本高、效率低和變更測繪時效性差的問題，還可基于實景三維農(nóng)房不動產(chǎn)成果，搭建不動產(chǎn)三維應(yīng)用系統(tǒng)，基于三維空間數(shù)據(jù)進數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)展示與應(yīng)用服務(wù)，為三維化“自然資源一張圖”空間數(shù)據(jù)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

輕便、高效、低成本、高分辨率且自動化處理技術(shù)越來越成熟的無人機傾斜攝影技術(shù)，非常適合農(nóng)村不動產(chǎn)建筑結(jié)構(gòu)多樣、分布碎片化的特點，在農(nóng)村不動產(chǎn)測繪生產(chǎn)中，充分發(fā)揮優(yōu)勢，減輕測繪人員的外業(yè)工作強度，提升測繪效率，有效補充傳統(tǒng)房產(chǎn)、地籍測繪手段；同時在國土安全、工程建筑測量、城市管理、災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用、推廣價值。