李森盛，劉若翔，種紹龍

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪勘查院，甘肅 蘭州 730060)

村權(quán)籍調(diào)查要求全面查清農(nóng)村范圍內(nèi)集體土地(含宅基地)使用權(quán)等每一宗土地的權(quán)屬、位置、界址、面積、用途、地上房屋等建筑物、構(gòu)筑物的基本情況，為逐步建立產(chǎn)權(quán)明晰、權(quán)能明確、權(quán)益保障、流轉(zhuǎn)順暢、分配合理、嚴(yán)格規(guī)范的農(nóng)村集體土地及房屋產(chǎn)權(quán)制度，深化農(nóng)村物權(quán)制度改革提供依據(jù)，為房地一體數(shù)據(jù)整合和城鄉(xiāng)一體不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記奠定基礎(chǔ)。目前農(nóng)村房地一測(cè)量主要利用：全站儀和RTK進(jìn)行全野外地籍和地形測(cè)量、全野外數(shù)字測(cè)量和傳統(tǒng)攝影測(cè)量相結(jié)合兩種方法。前兩種方法需要大量的野外作業(yè)，工作任務(wù)重、效率低，且對(duì)硬件和數(shù)據(jù)采集人員技術(shù)要求較高[1]。近年來，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有了快速的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率三維模型建模，極大的提高了工作效率[2]。

國(guó)外傾斜攝影策略技術(shù)發(fā)展較早，例如F.Remondino等人選取了一篇地形較為負(fù)責(zé)的河流區(qū)域，拍攝多視角影響并建立三維模型，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)河流景觀進(jìn)行地形測(cè)繪，并繪制出河流景觀整體地形圖[3]；Brunier等為恢復(fù)意大利南部莫麗塞山地遺跡地形，通過無人機(jī)傾斜攝影搭載高分辨率傳感器，生成高精度的正攝影影像，用于勘測(cè)考古遺跡及其景觀[4]。國(guó)內(nèi)傾斜技術(shù)起步較晚，周旺輝等利用無人機(jī)攝影技術(shù)建立三維模型，并繪制了1：500地形圖，進(jìn)行了精確度和可行性分析[5]；王果等人利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建立農(nóng)村宅基地三維模型和TDOM，并進(jìn)行矢量化成圖[6]；盛一楠等通過無人機(jī)傾斜攝影對(duì)棚戶區(qū)改造工程進(jìn)行測(cè)繪分析，并建立三維地形及房屋權(quán)籍圖[7]。

對(duì)于工作量龐大的農(nóng)村房地一體調(diào)研工作而言，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，具有著更多的優(yōu)勢(shì)，可直接從建立的三維模型上分析建筑物材料及高度、面積，并且能夠生成多種數(shù)據(jù)成果，包括DOM、點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)字化地形圖等[8-10]。本文通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查測(cè)量中的應(yīng)用，建立了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)流程，為該技術(shù)在房地一體測(cè)量工作提供借鑒。

1 研究思路及技術(shù)指標(biāo)

1.1 研究思路

農(nóng)村權(quán)籍測(cè)量?jī)?nèi)容包括對(duì)宅基地界址點(diǎn)、農(nóng)村房屋屋角點(diǎn)和繪制地籍調(diào)查底圖。主體研究思路為首先確定地面控制點(diǎn)，然后通過垂直影像和傾斜影像進(jìn)行測(cè)量，利用全自動(dòng)聯(lián)合空中三角測(cè)量和自動(dòng)密集匹配DSM，構(gòu)建TIN模型，并生產(chǎn)白模，然后進(jìn)行3D紋理映射生成真實(shí)三維圖形，最后實(shí)現(xiàn)SV360三維模型測(cè)圖，圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

1.2 技術(shù)指標(biāo)

由于本次權(quán)籍圖形測(cè)繪采用立體三維測(cè)圖模式，為保證測(cè)圖精度，數(shù)據(jù)獲取和三維成果處理內(nèi)容必須滿足以下要求：獲取地面分辨率優(yōu)于1.5 cm的傾斜影像，且平均高度上航向重疊度不低于80%、旁向重疊度不低于70%；DOM(數(shù)字正射影像)分辨率優(yōu)于0.05 m。因此，擬定技術(shù)指標(biāo)要求如下：

(1)航攝飛行前對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地踏勘，選擇合適的起降點(diǎn)；綜合考慮地形和氣象條件，制定合理的航攝飛行方案，開展無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取工作，確保安全無事故；

(2)考慮地形和氣象條件，無人機(jī)航空攝影的航向重疊度要求達(dá)到80%，旁向重疊度要求達(dá)到70%；航跡要求航點(diǎn)間隔均勻，且偏離航線距離在100 m之內(nèi)，連續(xù)偏離航線影像在3張(含3)以內(nèi)，判定為合格；若軌跡數(shù)據(jù)中，存在連續(xù)三張以內(nèi)，且最大偏離航線100～200 m之間，都判定為“問題”影像。若軌跡數(shù)據(jù)中，偏離航線200 m之上，或連續(xù)3張以上偏離航線100 m以上的情況，都判定為“不合格”航線。存在“問題”影像時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)飛，存在不合格航線時(shí)，要求進(jìn)行重飛；

(3)航線一般按東西向平行于圖廓線直線飛行，也可根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地形情況，設(shè)計(jì)航線為東西向、南北向、或者傾斜向。實(shí)際飛行時(shí)綜合考慮攝區(qū)形狀和地形，選擇航攝效率最高的航線布設(shè)方式；

(4)為保證工作區(qū)的航攝全覆蓋，防止測(cè)區(qū)邊緣的漏拍，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，在地形條件允許的條件下，航向上航線兩端各多覆蓋出500 m，旁向上測(cè)區(qū)兩邊各多覆蓋出一條航線。當(dāng)?shù)匦螚l件不允許時(shí)，可降低要求；

(5)獲取的航空影像要求影像清晰、亮度適中、對(duì)比度合理。如果影像存在明顯虛化、邊緣模糊、影像過暗、過渡曝光或有薄霧覆蓋時(shí)均要求進(jìn)行補(bǔ)飛。

2 像控點(diǎn)布設(shè)布設(shè)

像控點(diǎn)的選擇不僅與設(shè)計(jì)的方案有關(guān)，同時(shí)也需要考慮攝影成圖質(zhì)量，因此，需要注意像控點(diǎn)影像應(yīng)當(dāng)較為清晰，易于識(shí)別；為提高影像匹配結(jié)果精度，像控點(diǎn)布設(shè)在影像邊界1 cm左右位置；像控點(diǎn)應(yīng)避開具有陰影的區(qū)域；布設(shè)于開闊地帶，布設(shè)區(qū)域無信號(hào)塔、大片水域等干擾物影響[11]。

為提高測(cè)繪成圖數(shù)據(jù)精度，需要在航拍前進(jìn)行實(shí)際像控點(diǎn)標(biāo)記，一般為在實(shí)際地點(diǎn)位置通過紅色油漆或者白灰粉標(biāo)圖“十”或“L”記號(hào)。像控點(diǎn)位于水泥等堅(jiān)硬路面時(shí)，利用紅色油漆油漆進(jìn)行標(biāo)記，在疏松地面時(shí)利用白灰粉。同時(shí)為保證測(cè)量精度，如標(biāo)記“十”字形標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，需要在“十”字中心噴繪一個(gè)5 cm直徑圓圈(圖2)。

圖2 像控點(diǎn)“十”字標(biāo)記方式

根據(jù)飛行要求，為滿足此次測(cè)量精度，像控點(diǎn)按照每平公里15～20個(gè)，150～200 m的間距進(jìn)行布設(shè)，測(cè)區(qū)邊、角應(yīng)有像控點(diǎn)控制，測(cè)區(qū)中間的像控點(diǎn)要均勻分布。此次航飛的區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則的圖形，所以為保證精度適當(dāng)增加了像控點(diǎn)的數(shù)量，具體布設(shè)方案如圖3所示。

控制點(diǎn)布設(shè)完成后，采用GNSS-RTK進(jìn)行測(cè)量，并提前設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)，方便后期處理。測(cè)量位置需在靶標(biāo)的幾何中心位置。

3 飛行方案設(shè)計(jì)

3.1 飛行平臺(tái)選擇

鑒于此次項(xiàng)目精度要求較高，且采用傾斜測(cè)圖的作業(yè)模式，為獲取最佳三維模型效果，采用D200飛行平臺(tái)搭載1.2億像素的OP300 傾斜模塊，且采用變高飛行，可獲取統(tǒng)一分辨率的影像數(shù)據(jù)，保證后期數(shù)據(jù)處理的順利進(jìn)行。

圖3 像控制點(diǎn)布設(shè)方案

航拍系統(tǒng)是根據(jù)航拍區(qū)域范圍及特點(diǎn)來進(jìn)行選擇，農(nóng)村權(quán)籍測(cè)量過程主要以村為單位，一般而言甘肅區(qū)域每個(gè)村主體占地面積為0.3 km2左右，位置分布較廣，不適合大面積傾斜測(cè)量航拍系統(tǒng)[12]。因此，選擇輕小型無人機(jī)和單鏡頭航拍系統(tǒng)更為適應(yīng)，整體航拍系統(tǒng)重量輕、攜帶方便，一次航拍能實(shí)現(xiàn)覆蓋面積0.6 km2，基本滿足了單個(gè)村的測(cè)量任務(wù)。同時(shí)選擇小型無人機(jī)具有成本低廉、飛行安全系數(shù)較高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于低空航拍具有更好的優(yōu)勢(shì)。本次測(cè)量過程選擇的無人機(jī)航拍系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 小型旋翼無人機(jī)航拍系統(tǒng)

3.2 飛行方案設(shè)計(jì)

根據(jù)CH/Z 3005-2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》，滿足分辨率范圍為1～5 cm；航向重疊度80%，最小不小于53%；旁向重疊度70%，最小不小于8%的要求，結(jié)合無人機(jī)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如下：

(1)地面分辨率：優(yōu)于1.5 cm。

(2)航向重疊度：平均測(cè)區(qū)面80%，最高點(diǎn)不小于50%。

(3)旁向重疊度：平均測(cè)區(qū)面70%，最高點(diǎn)不小于30%。

高點(diǎn)海拔2 223 m，最低點(diǎn)海拔2 185 m，平均海拔2 204 m，高差38 m；為保證地籍測(cè)量精度要求，分辨率按1.5 cm，航向重疊度81%，旁向重疊度72%設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)航線里程79.538 km，預(yù)計(jì)飛行架5次，具體航線信息如圖5所示。

圖5 航線信息圖

4 三維模型建立及測(cè)圖

4.1 立體模型的建立

在完成外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，建立立體模型主要步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)的收集、檢查和數(shù)據(jù)整理。在傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理前，對(duì)外業(yè)航飛數(shù)據(jù)，像控點(diǎn)數(shù)據(jù)(包括像控點(diǎn)點(diǎn)之記，像控點(diǎn)所在位置，像控點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，像控點(diǎn)坐標(biāo))進(jìn)行收集和檢核。檢核外業(yè)航飛所獲取的影像資料是否有漏洞，是否有不合理飛行情況，如果有則進(jìn)行補(bǔ)飛或者重飛。檢查像控點(diǎn)信息是否齊全，像控點(diǎn)坐標(biāo)是否有不合理現(xiàn)象。

在數(shù)據(jù)檢查合理的情況下，整理數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備影像數(shù)據(jù)，像控點(diǎn)文件數(shù)據(jù)，空三加密及模型的建立。

(2)空中三角測(cè)量(空三加密)。空中三角測(cè)量是立體攝影測(cè)量中，根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的高程和平面位置的測(cè)量方法。其主要目的是為缺少野外控制點(diǎn)的地區(qū)測(cè)圖提供絕對(duì)定向的控制點(diǎn)。

(3)模型的建立?？杖晒馑阃瓿芍?，運(yùn)用smart 3d建模軟件經(jīng)過提交工程、設(shè)定格網(wǎng)大小、格式設(shè)置等流程，生產(chǎn)出測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型成果(OSGB 格式)(如圖6所示)。

4.2 內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖

本次立體測(cè)圖使用SV360立體測(cè)圖系統(tǒng)。測(cè)圖過程在“三維測(cè)圖”窗口與CAD窗口進(jìn)行，任一個(gè)窗口所作修改在另一個(gè)窗口同步顯示，所見即所得。測(cè)圖結(jié)果可存盤為2004版的dwg格式，可實(shí)現(xiàn)與cass無縫對(duì)接。

圖6 立體三維模型

測(cè)圖過程中針對(duì)模型的特點(diǎn)主要用到“立面求交法”、“墻角拾點(diǎn)法”、“輔助點(diǎn)法”等，如圖7所示。

圖7 內(nèi)業(yè)立體測(cè)圖

4.3 精度檢測(cè)

為了檢測(cè)基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維立體測(cè)圖的成果精度，在項(xiàng)目區(qū)的試點(diǎn)村內(nèi)隨機(jī)選取明顯的界址點(diǎn)和房角點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)。本次檢測(cè)了124個(gè)點(diǎn)，最大誤差為+0.113 m，最小誤差+0.001 m，距離中誤差為±0.043，符合農(nóng)房調(diào)查的精度要求[13-14]。

5 結(jié) 語

為確保測(cè)量精度，為在作業(yè)過程中須重點(diǎn)關(guān)注：確保足夠數(shù)量和布設(shè)合理的像控點(diǎn)，像控點(diǎn)應(yīng)按照每平方千米15～20個(gè)，150～200 m間距進(jìn)行布設(shè)，測(cè)區(qū)邊、角應(yīng)有像控點(diǎn)控制，且測(cè)區(qū)中間的像控點(diǎn)要均勻分布；像片地面分辨率要優(yōu)于1.5 cm；在立體測(cè)圖的過程中，應(yīng)確保捕捉到房角或墻角；在個(gè)別地物點(diǎn)隱蔽區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行補(bǔ)充，提高成果質(zhì)量。

通過本次應(yīng)用實(shí)踐，建立了基于無人機(jī)傾斜攝影的立體測(cè)圖技術(shù)在農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)路線，該方法能有效提升項(xiàng)目作業(yè)效率，減少項(xiàng)目成本支出，且成果數(shù)據(jù)豐富，可在農(nóng)村權(quán)籍調(diào)查測(cè)量中推廣使用。