周美川，張寶鵬，趙玉霞

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

美麗鄉(xiāng)村建設(shè)是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的重點(diǎn)是鄉(xiāng)村規(guī)劃、鄉(xiāng)村建設(shè)、生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立鄉(xiāng)村實(shí)景三維模型，可快速、精準(zhǔn)、可量測(cè)和直觀(guān)的服務(wù)于鄉(xiāng)村規(guī)劃與建設(shè)、村容村貌建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是在無(wú)人或載人飛行器上搭載相機(jī)和GNSS，相機(jī)通過(guò)機(jī)載平臺(tái)從一個(gè)垂直（俯視）視角、多個(gè)傾斜（30°～50°）視角拍攝照片，并在拍照的同時(shí)利用機(jī)載GNSS 采集相機(jī)的空中位置。飛行作業(yè)結(jié)束后，下載照片和照片對(duì)應(yīng)POS 數(shù)據(jù),然后將下載的數(shù)據(jù)導(dǎo)入航空攝影測(cè)量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到實(shí)景三維模型。傾斜攝影測(cè)量按照平臺(tái)可分為載人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量。載人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、效率高、精度高，適合大區(qū)域作業(yè)，缺點(diǎn)是對(duì)成本、空域要求、人員和設(shè)備都要求較高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作業(yè)時(shí)間短、成本低、對(duì)設(shè)備和人員要求低，適合小區(qū)域作業(yè)、安全性高，缺點(diǎn)是相機(jī)有畸變、飛行姿態(tài)受風(fēng)等因素影響較大、作業(yè)效率相對(duì)較低。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的選擇

無(wú)人機(jī)的類(lèi)型很多，目前我國(guó)傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的很快，硬件和軟件都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)在航時(shí)和性能方面有較大的發(fā)展，具有操作簡(jiǎn)單、安全性高、攜帶便捷和性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，例如大疆經(jīng)緯M300RTK 無(wú)人機(jī)，空機(jī)重僅3.6kg，最大航時(shí)達(dá)到55min、最大負(fù)載2.7kg，具備自動(dòng)避障；飛馬E2000，整機(jī)重僅2.8kg，最大航時(shí)達(dá)到60min；南方測(cè)繪公司整機(jī)重僅5kg（含標(biāo)準(zhǔn)傾斜掛載），最大航時(shí)達(dá)到60min 以上；類(lèi)似高性能長(zhǎng)航時(shí)國(guó)產(chǎn)多旋翼無(wú)人機(jī)品牌還很多。固定翼無(wú)人機(jī)在航時(shí)和性能方面也有較大的發(fā)展，特別是垂直起降技術(shù)的采用，降低了起降操控難度，降低了固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地的要求，增強(qiáng)了飛行的安全性。

任務(wù)載荷也是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要的任務(wù)載荷為光學(xué)相機(jī)，相機(jī)可分為量測(cè)相機(jī)和非量測(cè)相機(jī)，量測(cè)相機(jī)畸變小、內(nèi)方位已知，測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴。非量測(cè)相機(jī)即民用普通相機(jī)，有畸變、內(nèi)方位未知，但價(jià)格低廉，常見(jiàn)的有單反相機(jī)和微單相機(jī)，常見(jiàn)的品牌有索尼、佳能和尼康。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量通常采用多鏡頭集合的傾斜航空攝影相機(jī)采集影像，目前國(guó)內(nèi)外有很多廠(chǎng)家都推出多鏡頭集合的傾斜航空攝影相機(jī)產(chǎn)品，如三鏡頭、五鏡頭傾斜攝影相機(jī)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量也可采用單相機(jī)，通過(guò)改變相機(jī)角度，多架次采集影像。

測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)宜選擇固定翼無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影相機(jī)，測(cè)區(qū)較小時(shí)宜采用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載多鏡頭傾斜攝影相機(jī)；當(dāng)任務(wù)測(cè)區(qū)小于1km2時(shí)，可采用單相機(jī)無(wú)人機(jī)多架次，多角度采集影像。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在甘肅某行政村實(shí)踐

以甘肅某行政村的居住區(qū)成果地面分辨率為0.02m。

4.1 測(cè)區(qū)概況

某行政村位于甘肅，總土地面積10km2，屬于典型的山區(qū)貧困村，自然條件極差，有耕地6300 余畝，其中山地5800 畝，川地500 畝，研究實(shí)踐以該村居住區(qū)為測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)中心坐標(biāo)為東經(jīng)107°17′16″，北緯35°47′16″，平均海拔1410m，測(cè)區(qū)范圍約為0.1km2。

4.2 航攝參數(shù)

考慮到測(cè)區(qū)較小，采用多旋翼DJI 大疆精靈Phantom4Pro 無(wú)人機(jī)，安全便捷。大疆精靈Phantom4Pro 無(wú)人機(jī)機(jī)身尺寸330×225mm×405mm，重量4.710Kg，最大航行時(shí)間25～30min，相機(jī)配備1 英寸2000 萬(wàn)像素CMOS 傳感器，焦距8.8mm；飛行相對(duì)地面高度110m，地面精度0.03m，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度設(shè)置為60%,其他參數(shù)詳見(jiàn)表1～3。共獲取855 張照片，照片清晰度良好，色彩和亮度均勻、適中。測(cè)區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)5 個(gè)，點(diǎn)位均勻分布測(cè)區(qū)四周4 個(gè)，測(cè)區(qū)中間1 個(gè)，均勻分布；另外在測(cè)區(qū)均勻布置檢查點(diǎn)8 個(gè)。采用“南方測(cè)繪銀河1”GNSS 千尋網(wǎng)絡(luò)RTK 采集像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)地理位置信息。

表1 相機(jī)參數(shù)

表2 正射參數(shù)計(jì)算

表3 傾斜參數(shù)計(jì)算

4.3 三維模型構(gòu)建

通過(guò)contextcapture 軟件進(jìn)行三維模型構(gòu)建，第一步數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，整理好照片、pos 信息和控制點(diǎn)信息；第二步空三測(cè)量，得出相片外方位元素和加密控制點(diǎn)坐標(biāo)；第三步，空三檢查，通過(guò)查看典型地物是否有分層等異常情況，并檢查像控點(diǎn)誤差，分析空三測(cè)量的成果質(zhì)量；第四步刺相控點(diǎn)，在相片中找到像控點(diǎn)刺點(diǎn)，刺完后檢查刺點(diǎn)的精度；第五步三維模型重建，合理選擇瓦塊大小，軟件自動(dòng)化進(jìn)行三維模型重建；第六步產(chǎn)品生產(chǎn)，根據(jù)格式和質(zhì)量要求完成三維模型產(chǎn)品生產(chǎn)。

4.4 三維模型精度分析

為客觀(guān)評(píng)價(jià)三維模型精度，根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010，對(duì)于1:500比例尺模型，地物點(diǎn)平面位置中誤差平原不超過(guò)0.6m，山地不超過(guò)0.8m；地物點(diǎn)高程中誤差，平原注記點(diǎn)不超過(guò)0.5m，山地不超過(guò)0.7m。對(duì)控制點(diǎn)C1至C5，檢查點(diǎn)J1 至J8 采用公式（1）計(jì)算平面位置誤差，采用公式（2）計(jì)算平面位置中誤差，從表4 結(jié)果可知，其測(cè)量精度符合《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010 數(shù)字正射影像圖的地物點(diǎn)對(duì)附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差要求。

表4 平面位置中誤差

5 三維實(shí)景模型在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用

基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中用途廣泛，可以展示鄉(xiāng)村樣貌、展示鄉(xiāng)村設(shè)計(jì)方案、展示鄉(xiāng)村環(huán)境狀態(tài)等，助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)鄉(xiāng)村管理高效化、精準(zhǔn)化和直觀(guān)化。

5.1 基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型在鄉(xiāng)村規(guī)劃中的應(yīng)用

鄉(xiāng)村規(guī)劃可依據(jù)三維實(shí)景模型利用軟件如北京山維科技股份有限公司EPS 等，快速高效繪制地形圖。同時(shí)三維實(shí)景模型中豐富的數(shù)據(jù)支撐，可進(jìn)行鄉(xiāng)村空間分析、鄉(xiāng)村風(fēng)貌規(guī)劃、環(huán)境規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，有效解決美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃中資料少、數(shù)據(jù)缺乏的現(xiàn)象。

5.2 基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型在鄉(xiāng)村環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)鄉(xiāng)村環(huán)境保護(hù)時(shí)，往往派人到村里全域巡查，耗時(shí)費(fèi)力，效率低、時(shí)效性差。基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型可快速高效判讀污染源和垃圾點(diǎn)，并標(biāo)注其坐標(biāo)位置、體積或面積，省時(shí)省力。在鄉(xiāng)村管理中利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)三邊一部區(qū)域環(huán)境檢視，落實(shí)戶(hù)內(nèi)五凈一規(guī)范行動(dòng)，著力改善農(nóng)村人居環(huán)境。

5.3 基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型的農(nóng)村房地一體測(cè)量應(yīng)用

農(nóng)村房地一體測(cè)量要求的精度較高，傳統(tǒng)農(nóng)村房地一體測(cè)量主要是依靠全站儀和RTK 單點(diǎn)測(cè)量，逐點(diǎn)測(cè)量，速度慢，有時(shí)房屋業(yè)主不在進(jìn)不了院子無(wú)法測(cè)量，工作效率低，成本高?；趦A斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型的農(nóng)村房地一體測(cè)量依據(jù)三維實(shí)景模型可準(zhǔn)確地采集房屋、圍墻等位置信息和層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等房屋屬性信息，減少內(nèi)外業(yè)的工作量，提高工作效率，降低成本。

5.4 基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型在鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

基于傾斜攝影測(cè)量的三維實(shí)景模型，可便捷的分析鄉(xiāng)村土地利用情況，分析鄉(xiāng)村種植、養(yǎng)殖情況，統(tǒng)計(jì)種植農(nóng)作物類(lèi)別、種植面積、種植位置、養(yǎng)殖位置、養(yǎng)殖面積等，幫助鄉(xiāng)村分析產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，規(guī)劃展業(yè)發(fā)展，助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著新時(shí)代我國(guó)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，信息技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)傾斜攝影測(cè)量的飛行器、多鏡頭相機(jī)和配套軟件的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在鄉(xiāng)村建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但地物特征點(diǎn)、界址點(diǎn)的采集還不能做到全自動(dòng)采集，基于傾斜攝影測(cè)量的智能信息分析和信息提取將是未來(lái)發(fā)展的重要方向。