王 元

（中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199）

0.引言

隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展和完善，近年來我國流行通過在無人機(jī)飛行平臺(tái)上搭載五鏡頭傳感器，從垂直、傾斜等角度拍攝地物影像，獲取物體完善的幾何、紋理和位置信息，并基于影像進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、決策等相關(guān)后續(xù)應(yīng)用。隨著基于影像的三維建模核心算法和AI等技術(shù)的不斷成熟，利用多視影像進(jìn)行三維建模已經(jīng)成為主流的應(yīng)用模式。彭偉[1]基于傾斜影像，利用Smart 3D對(duì)城市地區(qū)進(jìn)行三維Mesh重建并開展精度評(píng)定。紀(jì)亮[2]基于國產(chǎn)DP-Modeler導(dǎo)入傾斜影像進(jìn)行精細(xì)化三維建模，并且對(duì)紋理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。如何利用成熟的三維建模成果開展智慧城市應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前政府、企業(yè)、公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、元宇宙等新興技術(shù)的涌現(xiàn)，目前已有很多專家學(xué)者將無人機(jī)傾斜三維模型應(yīng)用于不動(dòng)產(chǎn)管理，并與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)管理從二維向三維的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)政府不動(dòng)產(chǎn)管理手段的迭代升級(jí)，為數(shù)字政府提供決策支撐。

1.總體技術(shù)路線

無人機(jī)傾斜攝影在三維不動(dòng)產(chǎn)中的總體技術(shù)路線包含三部分，如圖1所示。

圖1 總體應(yīng)用技術(shù)路線

1.1 無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)無人機(jī)測繪作業(yè)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于超出一定飛行高度的航飛，需要提前進(jìn)行空域報(bào)備；利用航飛軟件進(jìn)行智能化航線規(guī)劃與飛行高度設(shè)定；選擇氣象條件好的天氣環(huán)境開展無人機(jī)航飛作業(yè)，按照規(guī)劃的航線開展自動(dòng)化作業(yè)，獲取攝區(qū)內(nèi)的五鏡頭影像數(shù)據(jù)。

1.2 三維不動(dòng)產(chǎn)模型構(gòu)建

利用PhotoMesh、Context Capture、大疆智圖、大師智慧、天際航等軟件自動(dòng)生產(chǎn)Mesh模型；以Mesh模型為基礎(chǔ)，利用裸眼3D測圖軟件進(jìn)行傾斜模型單體化，構(gòu)建建筑物單體模型。

1.3 三維不動(dòng)產(chǎn)應(yīng)用構(gòu)建

采用GIS軟件SDK二次開發(fā)套件，基于.net或js+HTML等技術(shù)，開發(fā)三維不動(dòng)產(chǎn)應(yīng)用，包括三維地籍應(yīng)用、三維不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)應(yīng)用等，并在平臺(tái)中導(dǎo)入傾斜Mesh模型或建筑物單體模型，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)不動(dòng)產(chǎn)應(yīng)用。

2.無人機(jī)傾斜攝影三維建模

基于無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行三維建模的主要技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影三維建模流程

2.1 數(shù)據(jù)采集

利用無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)進(jìn)行傾斜影像采集，獲取下視影像和四個(gè)視角的傾斜影像。

2.2 空中三角測量

為消除外定向中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，需要對(duì)獲取的傾斜影像進(jìn)行空中三角測量，獲取精確的外方位元素。目前空中三角測量過程具有高度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，唯一需要人工交互的步驟是手動(dòng)量測地面控制點(diǎn)來計(jì)算基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。在空中三角測量中，自動(dòng)點(diǎn)匹配（Automatic Point Matching，APM）技術(shù)極大加快了空三處理速度[3]，為大型數(shù)字?jǐn)z影測量項(xiàng)目的傾斜攝影提供嚴(yán)密的空中三角測量解決方案。經(jīng)過空中三角測量處理后，可以構(gòu)建具有精確位置信息的立體像對(duì)。

2.3 TIN三角網(wǎng)構(gòu)建

以傾斜五視角影像為基礎(chǔ)，全自動(dòng)進(jìn)行TIN三角網(wǎng)構(gòu)建，可以設(shè)置三角網(wǎng)的分辨率和金字塔層，同時(shí)對(duì)提取的三角網(wǎng)進(jìn)行稀疏和平滑處理，最終輸出TIN數(shù)據(jù)，方便開展不動(dòng)產(chǎn)面積量測、不動(dòng)產(chǎn)高度測量、施工進(jìn)度模擬、日照分析等。

2.4 自動(dòng)紋理映射

以具有精確位置信息的傾斜影像為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑物的三維TIN，提取建筑物的紋理，包含建筑物屋頂紋理和側(cè)面紋理。

經(jīng)過以上四個(gè)步驟，完成傾斜Mesh三維模型的構(gòu)建。Mesh三維模型作為城市全要素三維模型，在實(shí)際應(yīng)用中能滿足不動(dòng)產(chǎn)瀏覽、高度量測、距離量測、視域分析、通視分析等應(yīng)用需求。但是，如果需要實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)登記、不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)、以房控稅等精細(xì)化政務(wù)管理，實(shí)現(xiàn)與不動(dòng)產(chǎn)信息的關(guān)聯(lián)查詢和分析等需求，Mesh模型仍然無法支撐，需要按棟、單元、樓層、戶等單位進(jìn)行單體化建模，以滿足不同層次的不動(dòng)產(chǎn)管理需求。

2.5 單體化模型構(gòu)建

基于傾斜Mesh模型，進(jìn)行建筑物單體化工作。當(dāng)前主要基于iDATA、清華山維、天際航等作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化采集作業(yè)。第一步，需要將傾斜Mesh模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái)中，作為底圖，開展裸眼3D測圖；第二步，作業(yè)員手動(dòng)勾畫建筑物輪廓線、屋脊線和屋檐，配合智能化工具，如，直角房屋、智能捕捉，可大幅減少人工作業(yè)量，提高單體建模的效率；第三步，將傾斜影像關(guān)聯(lián)至作業(yè)平臺(tái)，構(gòu)建影像數(shù)據(jù)庫，平臺(tái)可從影像庫中自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)位置的最佳影像進(jìn)行紋理匹配，支持智能化匹配和人工選擇兩種模式。最后，生成單體模型并導(dǎo)出，支持導(dǎo)出為FBX、OBJ、OSGB等標(biāo)準(zhǔn)格式。

3.基于傾斜模型的三維不動(dòng)產(chǎn)應(yīng)用

3.1 三維立體不動(dòng)產(chǎn)登記

基于上述過程生產(chǎn)的傾斜Mesh模型或單體化模型，對(duì)不動(dòng)產(chǎn)進(jìn)行精細(xì)化管理，更加形象、生動(dòng)地展示不動(dòng)產(chǎn)的實(shí)際情況，不僅從視覺上將二維不動(dòng)產(chǎn)“立起來”，而且支持三維受理、三維審核、三維歸檔等功能，解決不動(dòng)產(chǎn)在二維空間下表達(dá)和管理存在的不足，滿足三維不動(dòng)產(chǎn)的確權(quán)登記需求，持續(xù)推動(dòng)不動(dòng)產(chǎn)登記的便民、利民化。

（1）三維不動(dòng)產(chǎn)受理

打破傳統(tǒng)不動(dòng)產(chǎn)登記平臺(tái)的臺(tái)賬式管理模式，探索利用三維樓盤表進(jìn)行登記業(yè)務(wù)辦理。三維樓盤表可直觀展示當(dāng)前不動(dòng)產(chǎn)所在的空間位置，通過不同的顏色渲染標(biāo)識(shí)當(dāng)前房屋所處狀態(tài)，如未登記、抵押、查封等，業(yè)務(wù)人員從三維樓盤表中選擇所要辦理業(yè)務(wù)的房屋進(jìn)行業(yè)務(wù)受理，可有效減少登記錯(cuò)誤。

（2）登記業(yè)務(wù)三維聯(lián)動(dòng)

支持不動(dòng)產(chǎn)單元號(hào)到戶的定位，并實(shí)現(xiàn)從圖形直接創(chuàng)建業(yè)務(wù)登記案卷；通過三維不動(dòng)產(chǎn)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)從圖形系統(tǒng)直接關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行業(yè)務(wù)的收件受理。不動(dòng)產(chǎn)系統(tǒng)在業(yè)務(wù)辦理時(shí)，以不動(dòng)產(chǎn)單元號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)單元所在棟的定位及可視化場景展示，并實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)單元的信息查詢。

3.2 建筑物分層分戶管理

基于建筑物傾斜模型，動(dòng)態(tài)地把對(duì)應(yīng)的規(guī)則建模數(shù)據(jù)和分層分戶數(shù)據(jù)套合在模型表面，對(duì)不同樓層、單元甚至每戶皆可進(jìn)行動(dòng)態(tài)單體化，即在每層每戶樓層高度信息數(shù)據(jù)的控制下，利用動(dòng)態(tài)單體化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行切割，靈活獲取單層或單戶模型，實(shí)現(xiàn)三維模型的分層分戶化。針對(duì)單體化后的模型可掛接相應(yīng)的業(yè)務(wù)信息、地籍圖、戶型圖等數(shù)據(jù)，形成完整的不動(dòng)產(chǎn)三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫，為不動(dòng)產(chǎn)立體化管理提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物分層分戶管理。

4.應(yīng)用案例和精度分析

基于傾斜攝影測量的不動(dòng)產(chǎn)三維建模包含三個(gè)階段：數(shù)據(jù)采集、空間定向和三維建模。第一階段，為獲取高質(zhì)量影像，必須有良好的飛行計(jì)劃和飛行設(shè)計(jì)；第二階段，影像和相關(guān)數(shù)據(jù)（GNSS/IMU）的處理；第三階段，三維建筑物模型提取。

本節(jié)描述了試驗(yàn)所借鑒的測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用大疆經(jīng)緯M300 RTK[4]，搭載賽爾PSDK 102S V3五目相機(jī)獲取，覆蓋3 km2范圍。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機(jī)搭載賽爾PSDK 102S V3五目相機(jī)，單鏡頭具備2516萬像素，有效總像素超1.25億，測繪精度高，滿足不動(dòng)產(chǎn)三維模型的快速構(gòu)建，為不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)、不動(dòng)產(chǎn)登記、不動(dòng)產(chǎn)分層分戶管理提供精確的3D數(shù)據(jù)支持。

4.2 傾斜數(shù)據(jù)采集

利用以上設(shè)備采集試點(diǎn)片區(qū)3 km2范圍內(nèi)的傾斜影像，航飛高120 m，影像分辨率為3 cm（下視），獲取800張多視影像。

4.3 空三定向

以大疆經(jīng)緯M300 RTK獲取的傾斜影像、GNSS/IMU提供的外方位元素及相機(jī)參數(shù)作為數(shù)據(jù)源，在Context Capture中進(jìn)行空中三角測量時(shí)，利用前方交會(huì)計(jì)算下視和傾斜影像每個(gè)像元的物方坐標(biāo)，使用APM生成大量連接點(diǎn)，對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行平差，結(jié)合人工調(diào)整、自動(dòng)剔除粗差等操作，構(gòu)建較高精度的區(qū)域網(wǎng)。

利用Context Capture同名點(diǎn)匹配模塊對(duì)本測區(qū)中的800張RCD30傾斜影像進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，最終成功匹配5600個(gè)同名點(diǎn)，試驗(yàn)中最終匹配的同名點(diǎn)質(zhì)量較高，如圖3所示。

圖3 同名點(diǎn)匹配結(jié)果

在已構(gòu)建的區(qū)域網(wǎng)中添加控制點(diǎn)，并保證控制點(diǎn)在區(qū)域網(wǎng)中合理分布。布設(shè)好的控制點(diǎn)被加入測區(qū)中進(jìn)行單獨(dú)平差測試，此過程必須確?？刂泣c(diǎn)的正確性和精確性。然后將連接點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)平差，區(qū)域網(wǎng)被歸化至測區(qū)定義的投影坐標(biāo)系下。

本測區(qū)設(shè)置12個(gè)控制點(diǎn)，在x、y、z方向的中誤差分別為0.018 m、0.017 m、0.021 m，最大誤差為-0.030 m、0.032 m、0.022 m，如表1所示。

表1 控制點(diǎn)中誤差 單位:m

本測區(qū)設(shè)置6個(gè)檢查點(diǎn)，在x、y、z方向的中誤差分別為0.0162 m、0.0138 m、0.0159 m，最大誤差為-0.021 m、0.0163 m、0.0211 m，如表2所示。

表2 檢查點(diǎn)中誤差 單位:m

以上結(jié)果顯示精度較好，可以滿足不動(dòng)產(chǎn)三維建模的精度要求。

4.4 Mesh模型構(gòu)建

通過Context Capture軟件，進(jìn)行密集點(diǎn)匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理貼面等步驟，最終生成全要素Mesh三維模型[5]，數(shù)據(jù)格式為OSGB。

4.5 單體化模型構(gòu)建

將以上傾斜三維模型導(dǎo)入南方數(shù)碼iData_3D三維立體數(shù)據(jù)采集軟件中，進(jìn)行房屋三維實(shí)體的要素采集，并利用智能化AI工具提高單體化建模的效率。3 km2共1200棟建筑物，單體化建模耗時(shí)3個(gè)工作日。最終導(dǎo)出為obj格式的三維模型數(shù)據(jù)。

4.6 不動(dòng)產(chǎn)管理

將以上Mesh模型和obj單體模型導(dǎo)入權(quán)籍管理系統(tǒng)中。通過三維模型可以清晰地處理地上、地下不動(dòng)產(chǎn)的空間壓蓋、邊界模糊等問題，使產(chǎn)權(quán)更加清晰；同時(shí)可根據(jù)三維模型開展天際線分析，為拆遷工作提供較好的決策支撐。

5.結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量能快速獲取不動(dòng)產(chǎn)區(qū)域的影像，并進(jìn)行高效的三維模型創(chuàng)建，建模精度滿足不動(dòng)產(chǎn)管理的應(yīng)用需求。三維重建后的Mesh模型和單體化模型可滿足不動(dòng)產(chǎn)可視化、量測、分析等工作，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。