無人機傾斜測量技術在自然資源一體化建設中的應用
——以保定高鐵片區為例

駱延青 LUO Yan-qing；韓彥偉 HAN Yan-wei；蘇宗躍 SU Zong-yue；郭興平 GUO Xing-ping；范小青FAN Xiao-qing

（華北地質勘查局五一九大隊（河北九華勘查測繪有限責任公司），保定 071000）

0 引言

在我國社會經濟快速發展的大背景下，大力推進信息化建設，以促進便民利民為服務目標，圍繞提升政府管理能力和促進國家社會經濟發展開展大數據、大平臺建設。同時國家自然資源相關部門開始進行機構改革[1]，整合包含林業、礦產、水資源與土地資源在內的自然資源空間相關數據，建立全國統一的國土空間基礎服務平臺。保定市為提升自身政務管理信息化，對接雄安新區建設，在自然資源一體化建設中勢在必行。

1 研究概況

1.1 研究區域概況

保定市地處京津冀中心地帶，位于我國首都北京南面，是首都的門戶，在古代一直有著“京畿南大門”的重要地位。這種特殊的位置使得保定被納入國家對首都的整體布局規劃中，比如在保定的容城縣、雄縣及安新縣區域建設雄安新區。特別是建設雄安新區的歷史性決策，同時給保定地區的發展帶來了新的機遇。

保定東緊鄰雄安新區的白洋淀，在水資源匱乏的華北平原有著得天獨厚的優勢。同時隨著津保鐵路、雄忻鐵路及京雄城際鐵路的修建，保定將進入北京的通勤圈，因此選擇保定市高鐵片區作為此次研究的試驗區。

1.2 研究現狀

自2019年自然資源部發布《自然資源部信息化建設總體方案》以來，以“互聯網+一張圖+一個平臺”為主要任務的自然資源信息化綜合管理得到了開展[2]。各地區為緊跟國家信息化改革的要求，陸續提出了符合自身現狀需求的自然資源信息化建設總體方案，從體系建設目的、框架結構、建設方法、實施期限等進一步明確自然資源一體化建設內容。

2020年南京市[3]在自然資源政務服務系統一體化及數據融合建設中，將相關自然資源數據統一分類為現狀資源數據、土地資源管控規劃數據、資源管理數據與人文資源數據四大類，其中現狀資源數據包括測繪、地理國情、礦產資源等，土地資源管控規劃數據包括國土空間規劃、用地保護規劃、城鄉規劃及其他詳細規劃數據等；資源管理數據包括不動產、自然資源確權等數據；人文資源數據包括社會經濟及人口等，綜合所有相關數據的格式、內容屬性、空間屬性等各方面差異，重新劃分類別，刪除重復內容，結合地理實體類別編碼，關聯所有空間與社會人文數據，實現了自然資源融合建設。

自然資源一體化管理建設的關鍵為多源數據的采集與整理，隨著測繪、電子與計算機技術的快速發展及全國各地城市實景三維建設的實施，傾斜三維航空攝影測量技術無疑已成為目前地理空間資源信息采集的主流方法。根據航空平臺是否有人駕駛可以分為有人機與無人機的航空攝影測量，各有優缺點。其中無人機大多為小型飛機，由于體型較小，抗風性小，對現場施工條件要求較大，但可以滿足小范圍的航測任務，經濟性較高；有人機體型較大，抗風性強，可以適應復雜的現場環境，可以滿足較大范圍的航測任務，費用較高。目前市場上覆蓋各種施工環境較高的為大疆創新生產的各種大疆無人機，利用無人機傾斜三維測量技術大大縮短了自然資源相關空間地理信息數據采集的時間。

2 研究內容與方法

2.1 研究方法

本研項目究以目前市場占有率較高的大疆M300無人機結合賽爾102S鏡頭為傾斜航測原始照片數據采集工具，利用Context Capture實景三維模型處理軟件，對研究區域的地理空間信息數據進行研究制作。首先對研究區域進行實地踏勘并規劃，按照傾斜攝影測量先關技術規范采集相控點；其次利用大疆M300無人機對研究區域進行外業航拍，獲取原始照片數據；然后利用Context Capture實景三維模型處理軟件平臺將獲取的原始照片數據處理生成三維模型與數字表面模型數據；最后利用GlobalMapper對數字表面模型數據進行數據轉換與點云分類，制作滿足自然資源一體化建設中多源異構數據的內容。

項目研究的主要技術路線如圖1。

圖1 研究技術路線圖

2.2 數據資源結構體系

自然資源相關多源異構數據體系在自然資源管理一體化建設中具有重要的作用。數據體系的構建是自然資源一體化建設的重要基礎，其主要包括數據空間參考標準、數據集體系設計兩個部分。

2.2.1 數據空間參考標準

①平面坐標系統。

平面坐標系統：2000國家大地坐標系；

投影方式：高斯-克呂格投影，中央子午線：115°30′00″，投影面為參考橢球面。

②高程系統。

高程基準：1985國家高程基準。

2.2.2 數據集體系

保定市高鐵片區自然資源一體化建設的數據結構體系主要包含數字線劃圖（DLG）、數字柵格數據（DRG）、三維影像瓦片數據（OSGB）及社會人文表格數據。本研究主要設計包含矢量數據、柵格影像數據及三維瓦片數據的空間地理信息數據內容，其詳細數據內容包含如下：

①數字線劃圖（DLG）。

數字線劃圖為地形圖的表示形式，是在地形圖上重要地理實體單元按對應規范分層存儲的矢量數據集。數字線劃圖包括地理空間特征信息和其他屬性特征信息，可為政府相關部門在城鄉規劃、環境保護、土地管理、經濟發展分析等各個方面提供決策依據。

②數字正射影像圖（DOM）。

利用航空相片通過空三解算、控制點量算及象元糾正獲得的數字正射影像，屬于數字柵格圖的一種。數字正射影像圖具有的信息豐富直觀性可以方便非專業人員的使用，從中可直接提取地理實體單元信息和社會經濟信息。

③數字高程模型（DEM）。

數字高程模型是以高程表達地面起伏形態的數字柵格數據集，可以作為遙感影像正射糾正的輔助基準數據。

④數字表面模型（DSM）。

數字表面模型是同時包含了地表的建筑橋梁、交通水系、樹木植被等所有地表固定地物高度的地面地物高程模型。其既包含了數字高程模型（DEM）的高程信息，又包含了地表實體地物的表面屬性信息，被用在多個領域。

⑤實景三維模型（MESH）。

實景三維是客觀真實反映現實世界的三維模型，具有單體化、實體化的特點，是對真實世界的三維表達，通過三維模型的方式在電腦上進行數字化展現。通過計算機平臺可以模擬展示地理實體在實際地表的情況。

3 數據采集與處理

項目研究過程中，結合項目的施測范圍，通過實地踏勘，了解研究區域的野外實際情況，根據傾斜航測相關技術規范制定數據采集方案。選擇適當的航測無人機平臺，進行野外航片的采集。最后選擇數據處理軟件利用人機交互的方式，實現實景三維數據的制作。

3.1 硬件設備

綜合研究區域的城市實際發展狀況，本項目研究選用高性能旋翼平臺的一體化高精度航測無人機系統大疆經緯M300多軸旋翼機，相機采用賽爾102s相機。飛行器采取了多路冗余傳感器設計，充分保障了外業飛行作業的安全可靠性；同時具備長航時的續航與高效的數據獲取能力，保證了航片數據的采集效率。其無人機平臺及相機參數見圖2、表1。

圖2 大疆經緯M300多軸旋翼機

表1 航攝儀參數

3.2 數據外業采集

對項目研究區域范圍進行實地踏勘，了解測區的情況行政區域分布，控制點保存情況，地形地貌，房屋分布如房屋密集程度，道路是否通視、樓層高度是否影響飛行安全等，通過對測區的踏勘，了解測區的基本情況，以便布設航線及控制點；同時，為保證地形測量精度，飛行相對高度較低，現場踏勘可以有效地掌握測區情況，保障飛行安全。

根據項目中數據采集精度的要求，在航測數據采集前需對研究區域進行控制點的采集，結合外業踏勘的實地情況，規劃像控點的采集位置。結合CH/T 2009-2010《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范》、GB/T 7931-2008《1:500 1:1000 1:2000地形圖航空攝影測量外業規范》等規范要求，在測區內間隔300米均勻地進行相片控制點的采集，其像控點應選在相對穩固的地點、內業照片上能準確判讀出的特征地物處。

在CH/Z 3005-2010《低空數字航空攝影規范》中1:500比例尺成圖所需航片地面平均分辨率為主片不低于5cm，為提升三維模型的紋理細節與精度，本研究中無人機外業采集的相片分辨率為3cm。為保證后期三維模型效果的同時提升解析空三的精度，相機航向重疊度與旁向重疊度分別設置為不低于75%與80%，選擇氣象條件合適的時間完成測區的原始相片采集。

3.3 數據內業處理

數據的內業處理主要包含前期實景三維數據的制作與后期矢量地形圖、數字正射影像與數字高程模型數據的生產。

3.3.1 實景三維數據的制作

本文在實景三維建模過程中利用的是目前市場上利用率較高的ContextCapture軟件，其數據處理的自動化程度較高，不需要人工過多的操作即可將外業采集到的照片自動處理，通過解析計算獲取覆蓋相同區域照片的同名點數據，建立格網，經過照片的紋理映射生成三維模型數據。其主要的技術流程如圖3。

圖3 傾斜攝影三維建模技術流程

在數據處理前需對無人機外業獲取的照片數據進行質量檢查，以保證后期建模的順利進行及模型效果。照片的質量檢查包括重疊度、模糊度、光線差異度等內容，對質量較差的照片采取重飛或者利用三方的圖片處理軟件進行處理。

在ContextCapture軟件中新建工程，根據外業的數據采集順序按照架次批量添加照片數據，對數據的空間信息及架次的相對關系進行初步檢查；對導入的照片數據進行自由網的空三計算，軟件根據導入的POS信息對照片的方位元素進行計算并生成密集點云；通過導入外業采集的像控點數據對自由網空三數據進行人工刺點，輔助計算機對數據進行絕對空三和平差計算；最后提交模型重建任務，完成實景三維模型的重建。如圖4所示。

圖4 實景三維模型效果

3.3.2 其他數據的生產

ContextCapture軟件為用戶提供了多種的數據生產工具，軟件可以前期三維模型重建中生成的三維實景模型數據為參考，制作數字表面模型（DSM）與正射影像圖（DOM）。數字高程模型（DEM）數據的制作是基于前邊數字表面模型（DSM）進行的。利用GlobalMapper軟件對DSM數據進行數據轉換，將DSM數據轉換為點云數據；通過對點云數據進行分類提取，將點云數據中的房屋建筑、植被覆蓋及其他地表附著物剔除，建立三維格網；最后生成表示地形情況的數字高程模型數據。

4 自然資源一體化數據成果

將生產得到的三維實景模型、DSM、DOM、DEM、數字線劃地形圖等數據，通過多源異構數據的轉換，并導入自然資源一體化管理平臺的數據庫，實現多源異構自然資源的一體化管理。其數據導入后的效果如圖5。

圖5 數據融合后展示效果

5 結束語

本研究通過無人機傾斜航空攝影測量技術完成了研究區域內實景三維模型、數字表面模型、數字正射影像、數字高程模型、數字線劃地形圖的生產，為保定市高鐵片區的自然資源一體化建設中的多源異構數據部分提供了多樣的數據類型，滿足多源異構數據庫建設的需求，相對傳統的地形圖采集方法，不僅提升了地理空間數據的更新效率，保證了數據的實效性，還豐富了多源異構數據庫地理空間信息數據的類型。

無人機傾斜測量技術為保定市高鐵片區自然資源一體化建設提供了基礎的空間地理信息數據，間接的促進了自然資源一體化建設的發展研究，但自然資源一體化建設中多源異構數據庫包含更多的數據內容，為加快自然資源一體化建設，后期應不斷研究新的數據采集方法，以滿足多源異構數據建庫的需求。