李 威，李國柱

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基于傾斜攝影測量技術(shù)測繪地籍圖的可行性研究

李 威，李國柱

（昆明理工大學(xué)，國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000）

針對傳統(tǒng)地籍測量程序繁瑣、工作強度大、對精度要求較高，需要投入大量生產(chǎn)成本。提出了傾斜攝影測量技術(shù)能夠利用無人機實現(xiàn)交叉航線飛行，從各個角度獲取建筑物的紋理信息，高效的獲取特定測區(qū)；即高差起伏不大、房屋結(jié)構(gòu)多為磚混的航拍數(shù)據(jù)。依據(jù)生產(chǎn)的實景三維模型，利用山維科技公司的EPS地理信息工作站的裸眼測圖功能繪制地籍圖，最后使用高精度三維激光點云進行試驗對比，對成果進行精度驗證，中誤差達到0.029 m，精度較高。基于傾斜攝影測量技術(shù)可以用于特定測區(qū)的地籍圖測量。

傾斜攝影測量；地籍測量；三維實景建模；三維激光掃描

0 引言

傾斜攝影技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維實景模型[17]。

隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)運用于各個領(lǐng)域（特別是測繪領(lǐng)域的運用），它突破了傳統(tǒng)測量必須依靠測量技術(shù)員到實地進行手工測量作業(yè)的局限。在地籍運用方面；范彬彬等人使用該技術(shù)生產(chǎn)1∶1000真正射影像（TDOM）進行村莊地籍調(diào)查[4]；買小真等人探討了真正射影像制作的關(guān)鍵技術(shù)[8]；ArminG, Wang對拓?fù)渖杉夹g(shù)在三維建模中的運用進行深入的探討[6]。因此研究傾斜攝影測量技術(shù)在地籍圖測繪中的可行性對地籍測繪的發(fā)展具有重要意義。

1 實驗區(qū)概況

本文以云南省西雙版納景洪市大渡崗鄉(xiāng)大渡崗農(nóng)場第十二生產(chǎn)小組為實驗區(qū)。該生產(chǎn)小組位于東經(jīng)100°57￠08.622-100°57￠14.852，北緯22°20￠20.072-22°20￠18.862。面積約11010.4平方米。該測區(qū)位于山坡上，雖熱四周地勢復(fù)雜，但是居民地所處位置地勢較為平坦，處于近似于同一海拔高度，地面硬化程度高，房屋建筑多為磚混結(jié)構(gòu)，高差不大且周圍有一定的樹木遮擋具有一定代表性，若該測區(qū)精度能夠滿足地籍測量精度要求則在城市地籍測量中具有重要推廣意義。測區(qū)概況衛(wèi)星影像圖如圖1所示。

圖1 測區(qū)概況衛(wèi)星影像圖

2 實驗區(qū)任務(wù)設(shè)置

2.1 測區(qū)航線布設(shè)

根據(jù)無人機航飛的具體任務(wù)和要求以及按照低空數(shù)字航空攝影規(guī)范的相關(guān)規(guī)定對航線進行設(shè)置，以保證無人機按照設(shè)定的航線進行作業(yè)。航線的設(shè)定應(yīng)該包含航高的設(shè)置、相片重疊度的設(shè)置。其航高計算公式如（1）所示：

其中H為飛機飛行航高，f為鏡頭焦距，GSD為影像地面分辨率，a為像元尺寸。根據(jù)規(guī)范一般像片重疊應(yīng)該滿足以下要求：航向重疊度在通常情況下應(yīng)該為60%-80%，但是不得小于53%；旁向重疊度在通常情況下應(yīng)該為15%-60%，但是不得小于 8%。根據(jù)要求以及考慮到地籍測量的高精度要求設(shè)置像片地面分辨率為3CM，航高為108M，旁向重疊度80%，航向重疊度85%。航線設(shè)計如圖2所示。

圖2 測區(qū)航線布設(shè)圖

Fig.2 Survey route layout

2.2 測區(qū)像片控制點的布設(shè)

根據(jù)地形圖航空攝影測量規(guī)范，像片控制點的布設(shè)應(yīng)滿足下列條件。

（a）像片控制點的目標(biāo)影像應(yīng)該清晰，易于判別；

（b）布設(shè)的控制點宜能公用，一般布設(shè)在航向及旁向六片或五片重疊范圍內(nèi)；

（c）控制點距像片邊緣不應(yīng)小于1 cm（18 cm′18 cm像幅）或1.5 cm（23 cm′23 cm像幅），綜合法成圖的控制點距航向邊緣不應(yīng)小于上述規(guī)定的1/2；

（d）控制點距像片的各類標(biāo)志大于1 mm；

（e）控制點應(yīng)選在旁向重疊中線附近，離開方位線的距離應(yīng)大于3 cm（18 cm′18 cm像幅）或4.5 cm（23 cm′23 cm像幅）；當(dāng)旁向重疊過大，不能滿足要求時，應(yīng)分別布點；旁向重疊較小使相鄰航線的點不能公用時可分別布點，此時控制范圍所裂開的垂直距離一般應(yīng)小于1 cm，困難時不應(yīng)大于2 cm；

（f）位于自由圖邊，待成圖邊以及其他方法成圖的圖邊控制點，應(yīng)布設(shè)在圖廓線外。

根據(jù)以上要求及測區(qū)特點選擇航線網(wǎng)布點法，保證按航線每分段布設(shè)六個平高點；航線首末端上下兩控制點布設(shè)在通過像主點且垂直于方位線的直線上；航線中間兩控制點布設(shè)在首末控制點的中線上。考慮到測區(qū)內(nèi)不易于找到滿足上述要求的像片控制點，特制作能夠代替具有特征地物特征易于識別的像控標(biāo)靶紙，規(guī)格為1 m′1 m；如圖3所示。除滿足上述航線網(wǎng)布點法要求外為了保證成圖精度，在網(wǎng)中趨向不穩(wěn)定部位布設(shè)兩個加密點。測區(qū)像片控制點布設(shè)如圖4所示。

圖3 像控標(biāo)靶紙

圖4 像片控制點布設(shè)圖

3 傾斜三維模型的制作

傾斜攝影技術(shù)即在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集建筑物的紋理信息。利用CC（ContextCapture）建模軟件將照片建模，這些照片導(dǎo)入到建模軟件中，通過計算機圖形計算，結(jié)合pos信息空三處理，生成點云，點云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合照片生成賦有紋理的三維模型。區(qū)域整體三維建模方法技術(shù)路線圖如圖5所示。

圖5 區(qū)域三維建模方法技術(shù)路線圖

本文選用Bently公司的ContextCapture（Smart3D）它是一套無需人工干預(yù)，通過影像自動生成高分辨率的三維模型的軟件解決方案。使用軟件生成的實驗區(qū)傾斜三維模型如圖6所示。

4 根據(jù)傾斜三維模型進行地籍圖的繪制

本文采用山維科技公司的EPS地理信息工作站的裸眼測圖模塊來進行地籍圖的繪制，該軟件不僅實現(xiàn)對象級自由映射，更能夠?qū)崿F(xiàn)對象內(nèi)部無任何細(xì)節(jié)信息無需編程即可直接映射到目標(biāo)系統(tǒng)，無縫接軌，無損轉(zhuǎn)換。目前可與國內(nèi)外常用數(shù)據(jù)格式所生成的圖形屬性數(shù)據(jù)進行雙向轉(zhuǎn)換。裸眼測圖即根據(jù)三維模型，真實還原實地三維場景，直接實現(xiàn)三維測圖內(nèi)業(yè)完成無需外業(yè)人員到實地測量，極大的降低了成本投入和外業(yè)工作量。內(nèi)業(yè)人員根據(jù)真正攝影像（TDOM）、傾斜三維模型便可繪制實驗區(qū)地籍圖。繪制的地籍圖如圖7所示。

圖6 實驗區(qū)傾斜三維模型

圖7 裸眼測圖繪制的實驗區(qū)地籍圖

圖7中以中間分割線隔開，左邊為真正攝影像(TDOM)；TDOM能夠克服遮擋和傾斜問題，建立完全垂直視角的地表景觀，使建筑物保持垂直視角，避免房屋對其他地表信息的遮擋，恢復(fù)地物的正確方位[4]。右邊為傾斜三維模型；真實還原實地場景，建筑物四周紋理形狀都能看到，繪制的地籍圖可以真實反映實地建筑物的外部特征。兩種模式結(jié)合極大的保證了地籍圖的真實性和精度。

5 實驗對比

三維激光掃描技術(shù)的高精度特性可以很好的用來作為對比實驗。而車載的方式突破了傳統(tǒng)的需要設(shè)站的作業(yè)方式，提高了作業(yè)效率。車載的方式在規(guī)劃好了測量路線以后能夠一次性完成整個測區(qū)的測量，結(jié)合基準(zhǔn)站獲取的GNSS信息進行后差分處理，精度可以達到3~5 cm。精度完全能夠滿足地籍測量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。其作業(yè)流程如圖8所示，設(shè)備整體外觀如圖9所示。

圖8 作業(yè)流程圖

圖9 設(shè)備整體外觀圖

外業(yè)采集結(jié)束后導(dǎo)出點云數(shù)據(jù)、基站數(shù)據(jù)、特征點采集數(shù)據(jù)，進行IE解算、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)融合、特征點檢查及精度驗證。數(shù)據(jù)質(zhì)量通過后導(dǎo)出HLZ格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入HDmapper軟件內(nèi)業(yè)繪制地籍圖。采集后經(jīng)過處理的點云如圖10所示。其中左邊為初始處理的點云，右邊為點云去噪，抽稀后的結(jié)果。

圖10 初期處理后的點云及去噪抽稀后的點云

處理后的點云根據(jù)外部點云輪廓繪制地籍圖，其繪制的地籍圖如11所示。

圖11 根據(jù)點云繪制地籍圖

三維激光實際上是一種實景復(fù)制技術(shù)，能夠以點云的形式快速還原測區(qū)的原貌，其靜態(tài)基站后差分技術(shù)能夠使測量精度達到3-5 cm。跟無人機傾斜攝影測量生產(chǎn)的地籍圖做很好的精度比較，本文的目的意在探究傾斜攝影測量在地籍測量中的可行性，高精度車載移動三維激光掃描技術(shù)只作為一種試驗對比手段，其高昂的硬件及軟件售價限制了其市場推廣的普遍使用性。無人機技術(shù)及機載傳感器目前技術(shù)已趨于成熟，成本適中，市場接受度比較高。

6 精度驗證

對根據(jù)前期傾斜三維模型生產(chǎn)的地籍圖跟車載移動三維激光掃描繪制的地籍圖進行疊加比對，驗證傾斜攝影測量在地籍測量中的運用的精度能否達到地籍測量的精度要求，為了保證精度的準(zhǔn)確性及可靠性，同時也使用RTK對測區(qū)內(nèi)的特征點進行了打點檢查。其疊加的結(jié)果如圖12所示，打點檢查精度驗證如表1所示。

圖12 傾斜三維模型地籍圖跟三維激光掃描地籍圖疊加對比

表1 打點檢查精度驗證

Tab.1 Checking accuracy verification

經(jīng)過傾斜模型勾繪的線畫圖，在測區(qū)內(nèi)進行特征點打點檢查，以確認(rèn)成圖精度滿足成果要求。經(jīng)檢驗線畫圖精度平面中誤差為0.029 m，優(yōu)于《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）中10.3.2條款的地籍測量平面中誤差0.05 m的要求[13]，質(zhì)量較好。

7 傾斜攝影測量代替特定測區(qū)地籍測量的可行性分析

目前對無人機傾斜攝影測量在地籍測量中的運用，對于生產(chǎn)規(guī)范沒有明確的規(guī)定，本文只能參照《城市測量規(guī)范》（CJJ/T 8—2011）中的相關(guān)規(guī)定來進行質(zhì)量把控和精度驗證，精度驗證結(jié)果表明在該測區(qū)；地形高差起伏不大，房屋結(jié)構(gòu)主要為磚混結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域，其平面中誤差達到0.029 m。表明傾斜攝影測量在特定測區(qū)能夠達到很好的測量精度。后期又選了復(fù)雜區(qū)域進行試驗，發(fā)現(xiàn)在地形復(fù)雜高差起伏較大，房屋建筑結(jié)構(gòu)為土木結(jié)構(gòu)的精度沒有達到預(yù)期要求，難以用來作為地籍測量的代替手段。但也總結(jié)出；像片的地面分辨率和像片質(zhì)量、鏡頭畸變、像片外方位元素的計算精度、內(nèi)業(yè)制圖人員的經(jīng)驗；等都影響著傾斜攝影測量的精度，為以后的研究和生產(chǎn)提供相應(yīng)的參考。

8 結(jié)語

傾斜攝影測量能夠從四個角度拍到建筑物的紋理信息，經(jīng)過后處理生成的三維模型能夠真實逼真的還原實地場景，經(jīng)過內(nèi)業(yè)勾畫出來的線畫圖經(jīng)過精度驗證也能夠滿足地籍圖的要求。但是由于本文選取的試驗區(qū)屬于比較理想的地形，地形比較平整，房屋建筑比較規(guī)整，都是屬于磚混結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜地形精度會有所欠缺。本文對新興技術(shù)進行大膽的實驗探究，相信隨著以后技術(shù)的發(fā)展，如差分技術(shù)。在復(fù)雜地形的條件下相信精度也能達到規(guī)范要求。

綜上，通過總結(jié)存在的誤差傳播因素，地形因素影響。無人機傾斜攝影測量雖然難以滿足在各種地形中的測量精度，但是隨著以后后差分技術(shù)的運用或者對于一些特定區(qū)域，地形理想、房屋建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)一能夠滿足測圖精度的區(qū)域使用傾斜攝影測量技術(shù)進行地籍圖、地形圖的生產(chǎn)大大降低了制圖成本，提高作業(yè)效率，具備很好的運用價值。

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Feasibility Study on Surveying and Mapping Cadastral Map Based on Tilt Photogrammetry

LI Wei, LI Guo-zhu

(Kunming University of Science and Technology,Faculty of Land Resources Engineering,Kunming 650000, China)

In view of the cumbersome traditional cadastral measurement procedures, high work intensity and high precision requirements, a large amount of production cost is required. It is proposed that the tilt photogrammetry technology can realize the cross-route flight by using the drone, obtain the texture information of the building from various angles, and efficiently acquire the specific survey area; that is, the aerial data with little fluctuation of the height difference and the brick structure of the house. According to the real-life 3D model of production, the cadastral map is drawn by the naked eye mapping function of the EPS Geographic Information Workstation of Shanwei Technology Co., Ltd. Finally, the high-precision 3D laser point cloud is used for experiment comparison, and the accuracy of the results is verified. The error is 0.029 m. High precision. A cadastral map measurement based on tilt photogrammetry techniques that can be used for a particular survey area.

Tilt photogrammetry; Cadastral survey; 3D real-world modeling; 3D laser scanning

P271

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.041

李威(1993-)，男，研究生，主要研究方向：攝影測量與遙感。

李威，李國柱. 基于傾斜攝影測量技術(shù)測繪地籍圖的可行性研究[J]. 軟件，2018，39（12）：181-186