無人機傾斜攝影在土地調查中的應用

王新靜　姚怡燁 段晨鑫

摘 要：【目的】在我國土地調查發展過程中，常因技術手段存在缺陷，導致調查工作受到一定的影響。利用無人機傾斜攝影技術來建立實景三維模型，通過三維模型來完成相關調查工作，使土地調查工作更加高效、便捷。【方法】為探討無人機傾斜攝影技術在土地調查工作中的應用優勢，使用無人機搭載單目相機來采集影像，利用ContextCapture Center軟件進行三維建模，并與實際調查結果進行對比，分析三維模型的優缺點。【結果】結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，可應用到土地調查工作中。【結論】無人機傾斜攝影技術可提高土地調查工作的完成效率，同時為我國未來的國土調查等工作提供支持。

關鍵詞：無人機；攝影測量；土地調查；三維建模

中圖分類號：P231? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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，隨著我國經濟社會的不斷發展，城鎮化進程不斷加快，各個城市土地資源供給越發稀缺。因此，土地調查對當今社會發展的重要性不言而喻。然而，在土地調查過程中往往會遇到地物遮擋、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，我國正在逐步應用各種新型技術，其中，相對來說更為應用廣泛技術是無人機傾斜攝影技術。無人機傾斜攝影技術是近年來發展十分迅猛的一項攝影測量技術，通過在多旋翼或固定翼無人機上搭載單/多鏡頭的傳感器或雷達，從多個角度對待測地區進行數據采集，并結合衛星定位技術，利用pos文件來確定傳感器的精確位置，通過地面控制點來計算出影像的坐標信息。無人機傾斜攝影技術是對傳統航空攝影測量、攝影測量與遙感等測繪技術的有力補充，具有機動靈活、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在快速獲取小區域和飛行困難地區的高分辨率影像方面具有明顯優勢［1］。

1 傾斜攝影技術

傾斜攝影技術通過傾斜相機系統來采集地面物體形態、方位等數據。傾斜攝影技術使用的設備包括無人機、相機系統、POS系統。相機系統通常搭載多個傳感器，只有一個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、精準地獲得地物數據［2］。

1.1 傾斜攝影技術特征

傾斜攝影技術具有以下特征：①通過傾斜攝影技術所獲取的影像數據包含了地物的形態方位等信息，可對地物進行量測。利用專業軟件可在影像上測量出地物的長度、高度、坡度等數據，也可以計算出地物面積。同時，利用相關軟件對傾斜照片進行數字線劃圖及數字地表模型、數字正射模型等數據成果的輸出；②傾斜攝影相機系統使用五個不同角度的相機對地物信息進行采集，影像可全方位、多角度地反映出地物信息，更加真實地展示拍攝目標物的外觀，進而得到目標地物各個方向的參數，為三維模型的建立提供更加準確的數據；③傾斜攝影技術獲取的影像數據效率更高。傾斜攝影技術大多依賴于無人機技術，以無人機為載體，可快速靈活地實現對地物信息的獲取。同時，無人機體積小、造價低、操作簡便、不受環境條件制約，通過傾斜攝影技術可獲取豐富地物紋理數據，可有效提高三維建模的速度，降低成本。

1.2 無人機傾斜攝影技術優勢

利用無人機傾斜攝影技術可將土地開發前后的真實情況相對比，對監測區域實行動態監管、實時監測。無人機傾斜攝影技術可滿足大比例尺地形圖測繪的高精度要求。在使用無人機進行影像數據采集過程中，一般來說，無人機航高較低，且相片重疊度比較高，可為重建過程中的多余觀測提供大量數據，提高數據重建精度［3］。無人機低空攝影技術受天氣環境因素的影響小，在規劃好測區范圍后，可在短時間內收集到測量區域內地物影像數據，還可在短時間內構建出地表的真實三維模型，且對外業實地踏勘的要求小［4］。

2 無人機傾斜攝影測量在土地調查中的應用

目前，我國土地調查工作可分為土地利用現狀調查和地籍調查，我國所進行的三次土地調查都是圍繞著這兩方面內容進行的。

2.1 地籍調查

將無人機傾斜攝影技術有效地應用于土地調查的地籍調查中，包括以下四個方面：①獲取影像資料。土地調查人員在進行土地權籍調查時，可充分利用無人機傾斜攝影測量技術大范圍、高效率的特點來獲取地表影像資料，能獲取完整準確的地面信息。相比其他遙感技術，使用無人機獲取的影像資料數據量更小，后續處理也會更加方便簡潔；②測繪數據的收集。在地籍調查過程中，利用無人機傾斜攝影技術獲取測繪數據的方式一般有兩種。一是手動采集，即調查人員運用現代化設備對無人機進行遠程操控，選擇與現場的拍攝畫面相匹配的影像。二是自動加密采集［5］。自動加密采集是在獲取相關信息數據后，調查人員將信息保存到指定的存儲地點，并進行加密處理；③土地勘測定界。為了能保證土地勘測定界工作順利進行，應先在國土資源管理部門的統一安排下，調查區域內的土地利用現狀調查成果資料收集，并收集好土地地籍調查資料、土地權利人等信息的證明材料［6］；④突發事件應急［7］。在調查人員進行土地調查過程中，尤其是在進行外業測量等作業時，環境影響因素非常大，容易出現某些自然災害的突發事件，如地震、山體崩塌等災害，這些突發事件往往會對調查工作造成阻礙，嚴重時甚至會威脅調查人員的生命安全，無法使用普通的技術手段進行調查工作。所以，無人機傾斜攝影技術的應用可以更加妥善的對這類問題進行處理。將無人機傾斜攝影技術有效應用于突發事件中，可在第一時間查探災害情況，對災區進行實時動態監控，為后續救援工作的開展提供關鍵信息。

2.2 土地利用現狀調查

無人機傾斜攝影技術在土地利用現狀調查中的應用主要有以下三個方面。

①內業預判。內業預判是指根據統一制作的正射影像或實景三維模型對地類進行預判，并通過分析原有的調查資料進行輔助工作［8］。在我國第三次國土調查工作中，國家下發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間和光照的影響，降低耕地邊界繪制的準確性。無人機傾斜攝影技術在我國土地利用現狀調查中的應用，不僅能有效彌補二維正射影像只能提供地物頂部信息方面的缺陷，還可為內業預判工作提供豐富的數據。具體來說，無人機傾斜攝影技術產生的實景三維模型具有高真實性、高精度的特點，可將地物紋理信息，準確、清晰地反映出來，調查人員可根據這個特點對實景三維模型中的水體類型進行判斷，有效節省對較為相似的地界（如水田和未硬化池塘）進行二次判定的時間成本。

②外業舉證。在外業舉證過程中，調查人員需要對不同類型的舉證照片的角度、時間及坐標方位等信息進行詳細記錄。此外，還要將記錄到的信息與圖斑信息進行關聯對比，這樣才算完成外業舉證工作。對比其他的技術手段，使用無人機傾斜攝影技術建立的實景三維模型貼圖的分辨率相對較高，可精準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難以探測到的內部地類特征。綜上所述，將無人機傾斜攝影技術應用到外業舉證過程中，可在很大程度上解決各類差異性圖斑問題，并使外業舉證的工作效率得到很大提高。但是，外業舉證工作目前還存在一個較為嚴重的問題，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驗等，經常會出現舉證照片不合格或漏舉等問題，上述問題會阻礙接下來的舉證調查工作。常用的解決辦法是反復舉證，但會浪費大量的人力物力，導致調查工作時間延長。運用無人機傾斜攝影技術可十分完整清晰地展示出“林下房”的側面與紋理，能有效避免重復舉證這一問題，節省了工作時間，從而提高外業舉證效率。在我國第三次土地調查外業舉證階段，無人機傾斜攝影技術從圖斑導入、航線自動規劃，到成果DB包生成、舉證拍攝、上傳國土調查云平臺等環節均用到無人機傾斜攝影技術，既提高了核查的準確性與作業效率，又為第三次全國國土調查工作的開展提供了技術保障［9］。第三次全國土地調查的最終目的是全面查清我國自然資源和土地資源，做到心中有數。在外業舉證調查中，在調查底圖范圍內對所有圖斑的屬性進行實地調查，從而確保成果準確真實。

③成果數據展示。根據之前全國土地調查的工作經驗，最終的調查成果通常有三種呈現形式，即文字調查結果、圖件調查結果、數據調查結果。文字調查結果主要展示技術報告、工作報告及數據分析報告；圖件調查結果主要為每個調查區域中土地利用情況和一些專題圖件；數據調查結果即土地調查過程中的各類數據信息。國家所呈現的土地調查成果相對來說已經非常全面，但調查成果之間過于獨立，很難形成一些關聯，且調查成果大多以二維數據進行展示，查閱者難以理解，無法有效利用相關信息，更不能對細節方面進行充分研究。無人機傾斜攝影技術可以有效解決土地調查中成果數據過于獨立的問題。首先，使用無人機傾斜攝影技術建立的實景三維模型真實、清晰、還原度高，成果顯示豐富細膩。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與運行所占用的空間，并能結合實際情況，選擇相同或不同的地物模型進行顯示或編輯，從而保障了數據成果的專業性。最后，以三維數據平臺為基礎，將文字、圖件與數據成果融入三維模型數據中，就可在同一個三維模型中對不同形式的成果進行展示，提高數據成果展示的直觀性，并有效改善成果數據管理的統一性［10］。

3 無人機傾斜攝影三維建模的應用

三維建模技術是整個無人機傾斜攝影技術中最為重要的技術，是無人機傾斜攝影測量完成后進行的有針對性的項目，三維實景模型的質量與后期的使用效果息息相關。先將不同設站的垂直角度相片與傾斜角度相片相結合，從而形成對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調查區域。再利用內外方位元素對傾斜攝影相片組的幾何空間姿態進行恢復，利用地面控制點對整個區域進行實景的三維建模。傾斜攝影三維建模技術流程如圖1所示。

本研究使用ContextCapture Center軟件對鄭州市某地區進行三維建模，使三維建模技術從理論層面過渡到實踐層面，通過對無人機傾斜攝影數據進行處理，將三維數據清楚、立體地展現出來，并利用模型對無人機傾斜攝影在土地調查中的應用進行分析。觀察三維建模對耕地的建模效果，以此來論證將無人機傾斜攝影三維建模技術應用到調查全國耕地面積之中的可行性。

將數據導入后按流程進行操作，最終得到實景三維模型，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，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值，可滿足土地調查需要。

由試驗可知：首先，通過建模成果可清楚地觀察到建筑物的側面信息，打破了傳統技術只能得到正射影像的限制，能更加完整地獲得地物信息，有利于土地調查工作的進行；其次，使用傾斜攝影測量技術進行數據處理，更加方便快捷，可有效提高土地調查工作的效率；再次，無人機傾斜攝影技術受天氣或環境的影響小，對外業勘測的工作要求不高，模型也更加真實；最后，無人機傾斜攝影三維建模造價更低廉，在為土地調查工作提供更為精準模型的同時，成本也得到更為有效地節約。

4 結論

本研究主要介紹了無人機傾斜攝影技術在土地調查中的應用，包括無人機傾斜攝影的技術特征及技術優勢、無人機傾斜攝影技術在地籍調查與土地利用現狀調查中的具體應用，并利用無人機傾斜攝影技術獲取的相片數據進行實景三維建模構建。

無人機傾斜攝影技術為我國土地調查工作提供強大的技術支持。無人機傾斜攝影技術三維建模的數據成果可滿足土地調查需求，且相較于傳統的土地調查手段，使用無人機傾斜攝影技術所構建的實景三維模型進行土地調查，數據信息的豐富程度明顯提高，工作效率大幅提升，調查工作的成本也能有效降低。此外，將無人機傾斜攝影技術應用于土地調查中，更有利于調查工作后期的數據統計與數據分析。

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