傾斜攝影測量技術在房地一體測繪中的應用

摘 要；為解決農(nóng)村房屋測量的低效率、高成本和長耗時問題，該文采用無人機傾斜攝影測量技術進行房產(chǎn)精準測繪。首先利用無人機傾斜攝影獲取不同角度的影像，構建實景三維模型，然后在三維模型上利用CASS3D軟件進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集，得到房地一體地圖成果。通過檢查點和界址線的中誤差對傾斜攝影成果進行精度分析，結果表明，無人機傾斜攝影測量技術可以完全滿足技術規(guī)范，數(shù)據(jù)成果精度高，有效地提高工作效率與質(zhì)量，縮短項目生產(chǎn)周期。

關鍵詞；傾斜攝影測量技術；房地一體；實景三維模型；CASS3D；精度分析

中圖分類號：P237 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0071-05

Abstract： To solve the problems of inefficiency， high cost and long time-consuming in rural house measurement， this paper uses UAV tilt photogrammetry technology to accurately survey real estate. First， UAV tilt photography is used to obtain images from different angles， and a real-life three-dimensional model is built. Then， CASS3D software is used to collect indoor data on the three-dimensional model， and the results of the integrated map of the premises and buildings are obtained. The accuracy of tilt photography results is analyzed through the medium errors of checkpoints and boundary lines. The results show that the UAV tilt photogrammetry technology can fully meet the technical specifications， and the data results have high accuracy， effectively improve work efficiency and quality， and shorten the project production cycle.

Keywords： tilt photogrammetry technology; integration of premises and buildings; real-life three-dimensional model; CASS3D; accuracy analysis

傾斜攝影測量技術是利用傾斜攝影機和相應的處理軟件來獲取和處理傾斜攝影的方法[1]。相比于傳統(tǒng)的垂直攝影測量技術，傾斜攝影測量技術能夠提供更加真實、細致和高分辨率的三維地理信息。其通過將相機傾斜安裝在飛行器或地面車輛上，以不同角度拍攝目標區(qū)域，從而得到傾斜的影像數(shù)據(jù)。通過利用同一相機不同位置拍攝的影像、匹配特征點或特定的控制點，進行影像的定位和定向傾斜攝影測量技術的原理主要涉及2個方面：相對定向和絕對定向。相對定向是指在攝影測量過程中定向。絕對定向是指將傾斜影像與地理坐標系統(tǒng)進行對齊，確定影像中各個目標的地理位置。

傾斜攝影測量技術需要傾斜攝影機、導航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件等關鍵設備和工具的支持。傾斜攝影機通常包括多個攝像頭，能夠同時捕捉地面的不同角度的影像[2]。導航系統(tǒng)則用于記錄傾斜攝影機在空間中的位置和姿態(tài)，并提供參考數(shù)據(jù)以進行定位和定向。數(shù)據(jù)處理軟件則用于處理傾斜攝影產(chǎn)生的大量影像數(shù)據(jù)，進行影像匹配、特征提取和三維重建等操作。

無人機傾斜攝影技術可以隨時進行任務部署和數(shù)據(jù)采集，不受時間和地點的限制。相比傳統(tǒng)航空攝影測量，無人機可以在更近的距離和更低的高度下進行飛行，通過拍攝多角度的影像，能夠捕捉更豐富的地表信息，包括建筑物、道路、植被等。無人機傾斜攝影技術結合GNSS/IMU系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲取飛行平臺的位置和姿態(tài)信息，并將其與采集到的影像數(shù)據(jù)進行聯(lián)合處理，從而實現(xiàn)高精度定位和姿態(tài)校正。同時，相比傳統(tǒng)的航空攝影測量，無人機傾斜攝影技術具有更快的任務響應能力和數(shù)據(jù)收集速度，能夠在短時間內(nèi)獲得大范圍、高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)[3]。此外，無人機傾斜攝影所需的設備和人力成本相對較低，可以提高測繪工作的效率和經(jīng)濟性。

1 無人機傾斜攝影測量技術在房地一體中的作業(yè)流程

無人機傾斜攝影測量技術主要是通過數(shù)據(jù)采集獲取航拍影像數(shù)據(jù)，然后構建實景三維模型，最后實景三維模型對模型輪廓進行矢量化繪制。繪制主要是通過CASS3D軟件對建筑物、構筑物進行矢量采集，然后對采集的矢量數(shù)據(jù)進行編輯和修飾形成能夠達到房地一體要求的成果。測量流程如圖1所示。

圖1 無人機傾斜攝影技術流程圖

1.1 獲取航空攝影影像

1.1.1 測量航帶規(guī)劃設計

傾斜攝影航線規(guī)劃設計在航空攝影中起著極其重要的作用。為了確保無人機操作的規(guī)范化，并制定出相應的處理流程，實施全過程規(guī)劃管理，避免航線規(guī)劃不合理造成最終的測量成果精度滿足不了規(guī)范要求。航線規(guī)劃設計流程如下。

1）劃分航帶：按測量區(qū)域范圍和飛行速度，將航區(qū)劃分為若干條航帶。通常情況下，航帶的寬度為地面分辨率的兩倍，以確保圖像的質(zhì)量和準確性。

2）航向重疊：相鄰航帶之間需要有一定的重疊，以保證航帶的連續(xù)性和完整性。航向重疊度通常為60%～80%，可根據(jù)實際情況作適當調(diào)整[4]。

3）旁向重疊度：為了減少重復勞動和節(jié)約資源，同一航帶內(nèi)不同攝站之間的圖像也需要有一定的重疊度。旁向重疊度通常為30%～50%。

4）飛行方向：根據(jù)測區(qū)的地形和氣候條件，確定飛機的飛行方向。一般情況下，飛行方向應與主導風向垂直，以減少風對飛行速度的影響。

5）飛行速度：根據(jù)航攝儀的性能和波段的寬窄，選擇合適的飛行速度。過快的飛行速度會造成圖像模糊，過慢則會造成工作效率的降低[5]。

6）像幅大小：根據(jù)測區(qū)的實際需求和航攝儀的性能，確定像幅大小。影像的解析度、測繪精度等都會受到影像尺寸的直接影響。

1.1.2 像控點布設

傾斜攝影像控點布設是實景三維模型重建過程中的關鍵環(huán)節(jié)，對模型精度和效果具有重要影響。像控點布設，在傾斜攝影過程中，有以下幾個方面是需要考慮的。

1）布設原則：像控點應均勻分布在測區(qū)內(nèi)，確保拍攝到的圖像具有較高的覆蓋度和重疊度。同時，要避免將像控點布設在陰影、遮擋等不利于測量的地方。

2）布設方法：根據(jù)測區(qū)的地形、飛行參數(shù)和拍攝需求，采用合適的布設方法。常見的布設方式有幾種，如網(wǎng)狀的布點、導線的布點等等。

3）布設數(shù)量：根據(jù)測區(qū)面積、精度要求以及無人機載荷等因素，確定像控點數(shù)量。一般情況下，重建的車型準確度越高，就會有更多的控制點[6]。

4）布設坐標：像控制點的坐標是根據(jù)測區(qū)的平面座標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)來確定的。坐標應精確到厘米級別，以確保測量精度。

5）標識與保護：在實地布設像控點時，應設置明顯的標識，以便于后續(xù)的測量和核查。同時，要保護像控點，避免被損壞或移動。

6）數(shù)據(jù)處理與融合：在像控點布設完成后，需要對采集到的影像數(shù)據(jù)進行處理和融合，將像控點坐標與影像數(shù)據(jù)相結合，生成實景三維模型。

7）精確度校驗與優(yōu)化：為完成實景三維模型的重建工作，對模型進行精確度的校驗與評估。如發(fā)現(xiàn)模型精度不足，為提高模型精度，可適時對圖像控制點布設方案進行調(diào)整。

1.2 構建實景三維模型

通過無人機多相機多視角傾斜攝影獲取高精度影像，對獲得的航拍和像控測量數(shù)據(jù)進行預處理，利用Context Capture系統(tǒng)進行多視影像聯(lián)合平差，通過特征點提取和連接點匹配，以及光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差進行空中三角測量[7]。根據(jù)影像的外方位元素以及相機與目標之間的相對位置，選擇適當?shù)挠跋窠M成三維像對。接著，通過點云匹配計算，將不同影像上的點云數(shù)據(jù)對應起來，并構建三維TIN網(wǎng)。最終，根據(jù)TIN網(wǎng)中每個三角形的空間位置，將最佳視角的影像映射到模型上以作為紋理，順利實現(xiàn)實景三維模型的重建[8]（圖2）。

圖2 傾斜攝影測量流程圖

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先，對原始圖像進行畸變校正和高精度位置數(shù)據(jù)（POS）的融合計算，接著利用Context Capture軟件迅速創(chuàng)建測區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字正射影像圖（DOM），并同步生成三維模型文件。隨后，使用CASS3D軟件構建三維模型并提取不動產(chǎn)權屬信息，這些信息包括研究區(qū)域內(nèi)的道路網(wǎng)絡、建筑物角點、庭院界限等。此外，還需進行地籍地圖資料的制作工作。如模型中出現(xiàn)空洞或模糊區(qū)域，需進行現(xiàn)場補充測量，以確保數(shù)據(jù)成果的全面性。

2 精度評定

在完成農(nóng)村房地一體化測繪成果的生產(chǎn)后，必須對這些數(shù)據(jù)成果進行精度評估，確保其符合規(guī)范和生產(chǎn)應用的標準，然后才能進行數(shù)據(jù)庫的存儲。在本研究中，運用中誤差指標對農(nóng)村房地一體化測繪成果的精度進行了分析和評估。該過程主要利用高精度實時差分定位技術（RTK）、全站儀等先進測量儀器，在測區(qū)采集了一系列檢核點的數(shù)據(jù)。隨后，將這些檢核點數(shù)據(jù)與房地一體化測繪成果中的相應數(shù)據(jù)進行了對比分析。并通過計算得出中誤差，以此來評價測繪成果的精確度。如式（1）、（2） 所示。

式中：mX、mY分別代表在X、Y方向的坐標誤差；Δ代表檢核點在各個方向的實際誤差；n則是本次研究中使用的檢核點總數(shù)[9]。測繪成果平面上的誤差mS可以根據(jù)X和Y方向的坐標誤差通過公式（3）來計算得出。

3 結果與分析

3.1 數(shù)據(jù)獲取與預處理

此次利用飛馬無人機進行傾斜航飛數(shù)據(jù)采集，此次共飛行4架次，飛行高度150 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，此次共獲取航片6 500張，測量核查點12個，核查邊緣12個。利用飛馬后處理軟件進行POS解算，將其轉(zhuǎn)化成Context Capture相匹配的格式（圖3）。

3.2 實景三維模型構建

在本次操作中，首先將航空影像、位置測量數(shù)據(jù)（POS）以及傾斜攝影相機的相關參數(shù)，包括焦距和主點等信息，導入Context Capture軟件中。完成參數(shù)配置后，執(zhí)行空中三角測量（空三）處理，隨后開展控制點的刺點工作。完成刺點后，再次執(zhí)行空中三角測量處理，以此來獲取項目區(qū)的實景三維模型（圖4）。

3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集

獲得實景三維模型后，按照房地一體化成果要求進行矢量化處理。本次采用CASS3D軟件在三維模型上進行建筑物和構筑物矢量化。采用二、三維互動的方式進行采集作業(yè)，在三維模型上，精確獲取了房屋的體量、檐口、屋頂、陽臺和門廊等詳細數(shù)據(jù)，并利用二維正射影像對地物要素屬性進行準確判斷，大大提高了農(nóng)村房地一體化測繪成果的生產(chǎn)效率。在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，如果出現(xiàn)模型空洞現(xiàn)象，及時進行外業(yè)補測，以確保測繪成果的準確性（圖5）。

3.4 精度評定

在完成測繪結果之后，必須對數(shù)據(jù)結果的準確性予以評估和分析，確保其滿足規(guī)范和生產(chǎn)應用的需求，進而才能將其存入數(shù)據(jù)庫。本研究通過對點位驗證精度和距離驗證精度2方面的分析，對農(nóng)村房屋綜合測繪結果的精度進行了評估。在試驗區(qū)，我們采用高精度實時差分定位（RTK）、全站儀、激光測距儀等測量設備收集各檢查站的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與測繪結果中的對應數(shù)據(jù)進行對比，計算得出誤差的中值。各檢查點的平面點誤差結果見表1，精度對比分析見表2。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)分析，采用傾斜攝影技術進行農(nóng)村房地一體化測繪的結果顯示，其坐標平均點位誤差為0.034 m，優(yōu)于房產(chǎn)測繪規(guī)范所規(guī)定的0.05 m的誤差標準。進一步觀察表2的數(shù)據(jù)，傾斜攝影測量得到的界址邊長較差為0.033 m，同樣滿足房產(chǎn)測繪規(guī)范中對0.05 m誤差限的要求。綜合分析，本次研究使用的無人機傾斜攝影測量技術在農(nóng)村房地一體化測繪中展現(xiàn)了較高的精確度，滿足規(guī)范要求。此外，該技術在提升外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理效率方面也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，通過內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)的協(xié)同工作，有效地改善了傳統(tǒng)測繪作業(yè)模式的局限性。

4 結論

農(nóng)村房地一體化的測繪工作是確立基礎的重要任務。盡管傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式在準確性方面較高，但其耗時長且需要大量人力，導致數(shù)據(jù)生成周期較長，無法滿足農(nóng)村房地一體化測繪工作的快速發(fā)展需求。然而，隨著無人機傾斜攝影測量技術的不斷改進，設備成本顯著降低，數(shù)據(jù)采集準確性也得到大幅提升。因此，本研究采用了無人機傾斜攝影測量技術來執(zhí)行農(nóng)村房地一體化測繪任務，成功獲取了研究區(qū)域廣闊范圍內(nèi)的高精度實景三維模型。隨后，使用EPS數(shù)據(jù)處理軟件進行內(nèi)部數(shù)據(jù)采集。由于二維影像與三維模型的緊密結合，大大提高了農(nóng)村房地一體化測繪成果的生產(chǎn)效率。同時，這種方法也確保了數(shù)據(jù)的高準確性，滿足相關規(guī)范和生產(chǎn)應用的要求。這一成果為房地一體化的快速更新以及大比例尺地形圖在廣泛范圍內(nèi)的生產(chǎn)提供了可靠有效的作業(yè)途徑。

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