寧茜朝 鄭禮全

傾斜攝影測量在土地確權(quán)中的應(yīng)用研究——以安徽省六安市金寨縣新增耕地為例

寧茜朝 鄭禮全

（安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

無人機(jī)傾斜攝影是近年來興起的測量技術(shù)，具備精度高、速度快、周期短的特點(diǎn)，被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。文章以安徽省六安市金寨縣新增耕地為例，將無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)運(yùn)用于土地確權(quán)中，介紹了外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理、繪圖、驗(yàn)收及注意事項(xiàng)，將其結(jié)果與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對(duì)比，得出了傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于土地確權(quán)中能極大提高工作效率的結(jié)論。

傾斜攝影；土地確權(quán)；無人機(jī)

引言

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是近幾十年才逐步發(fā)展起來的一門攝影測量技術(shù)[1]，它主要包括兩個(gè)部分，即無人機(jī)和傾斜攝影測量。其中無人機(jī)主要起一個(gè)航空搭載的作用，主要的攝影測量任務(wù)是由傾斜相機(jī)獲取的。傳統(tǒng)的測量繪圖技術(shù)效率低、周期長，精度難以保障。傳統(tǒng)無人機(jī)航測只能獲取正射影像圖，對(duì)于遮擋地物無法解決，而傾斜攝影測量能很好地解決這個(gè)問題。本文通過對(duì)金寨縣新增耕地進(jìn)行土地確權(quán)，簡述無人機(jī)傾斜攝影測量在土地確權(quán)中的應(yīng)用。

1 傾斜攝影測量簡介

與傳統(tǒng)的垂直攝影測量相比，傾斜攝影測量觀測的范圍更廣，可以更好地獲取地物側(cè)面的影像，因此構(gòu)建的三維模型精度更高、紋理更清晰。與傳統(tǒng)的單鏡頭垂直影像獲取相比，它獲取的影像更加符合人們雙眼對(duì)于世界的認(rèn)知。垂直攝影測量與傾斜攝影測量獲取影像范圍如圖1所示，圖1中左邊為傳統(tǒng)垂直攝影測量獲取影像的范圍，右邊為傾斜攝影測量獲取影像的范圍。

圖1 垂直攝影測量與傾斜攝影測量獲取影像范圍

傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、航攝儀、地面控制平臺(tái)、內(nèi)業(yè)處理軟件組成[2]。

1.1 無人機(jī)平臺(tái)

無人機(jī)平臺(tái)主要起搭載的作用，起初多被用于軍事方面，后對(duì)民用開放，現(xiàn)已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域。常見的無人機(jī)按照其結(jié)構(gòu)可以分為固定翼無人機(jī)、單旋翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、垂直起降固定翼無人機(jī)[3]。

1.2 航攝儀

航攝儀主要是用來獲取影像的，影像精度很大程度上取決于航攝儀的分辨率。目前常見傾斜相機(jī)有兩種：單鏡頭和五鏡頭。其中，單鏡頭航攝儀在工作時(shí)需要相機(jī)和云臺(tái)配合，通常是將云臺(tái)設(shè)置一定的傾角，然后通過井字或之字飛行的軌跡進(jìn)行多角度拍攝，適合用于小范圍影像的獲取。五鏡頭航攝儀是由5個(gè)相機(jī)拼接而成的，可以同時(shí)從1個(gè)正視和4個(gè)斜視共5個(gè)視角進(jìn)行影像的獲取，得到更高的重疊度。因?yàn)槲彗R頭自重大一些，需要搭載在一些續(xù)航能力更強(qiáng)的飛機(jī)上，所以成本更高。

1.3 地面控制平臺(tái)

地面控制平臺(tái)主要是指無人機(jī)的遙控器部分。地面控制平臺(tái)是無人機(jī)的操作部分和拍攝時(shí)影像實(shí)時(shí)顯示的部分。操作可以分為兩種：一種是操作者自己手動(dòng)控制無人機(jī)的飛行，另一種是根據(jù)設(shè)定的航線進(jìn)行飛行。地面控制平臺(tái)對(duì)無人機(jī)的監(jiān)控可以充分保障無人機(jī)的安全，使人們可以時(shí)刻了解無人機(jī)所處的位置，避免因障礙物干擾或天氣因素等丟失無人機(jī)。

1.4 內(nèi)業(yè)處理軟件

內(nèi)業(yè)處理軟件主要包括三維建模軟件和修模軟件兩部分。三維建模軟件主要是將無人機(jī)搭載航攝儀獲取的影像處理成立體、形象的數(shù)據(jù)。目前，常用的三維建模軟件有Smart 3D、大疆智圖、inpho、Pix4D Mapper、Photoscan、街景工廠等。修模軟件主要是對(duì)三維建模中出現(xiàn)的一些問題（空洞、懸浮物、碎片等）進(jìn)行處理，常見的有天際航公司的DP-Modeler、杰魔（Geomagic Studio）、3DS Max、大勢魔方等。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 區(qū)域介紹

金寨縣位于皖西邊陲，大別山腹地，鄂、豫、皖三省交界處，行政隸屬安徽省六安市，總面積3 814 km2，轄13個(gè)鎮(zhèn)、10個(gè)鄉(xiāng)，是安徽省最大的縣。金寨縣內(nèi)群山起伏，河流縱橫，大別山山脈由西南向東北貫穿全境。金寨縣地處亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15℃，年平均降雨量為1 300 mm，無霜期為220 d。全縣森林覆蓋率達(dá)70.35%，耕地面積極少[4]。本項(xiàng)目涉及金寨縣22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（麻埠鎮(zhèn)除外），地塊數(shù)量達(dá)3 000多個(gè)，地塊面積達(dá)335余公頃。

2.2 傾斜攝影測量

2.2.1 傾斜攝影測量作業(yè)流程

無人機(jī)傾斜攝影測量通常包括研究區(qū)域勘測資料收集與分析、像控點(diǎn)布設(shè)及測量（本次不進(jìn)行）、無人機(jī)選取、航線航高設(shè)計(jì)規(guī)劃與飛行、數(shù)據(jù)整理與檢查。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 傾斜攝影技術(shù)路線圖

2.2.2 選擇無人機(jī)型號(hào)

本項(xiàng)目因?yàn)閰^(qū)域比較分散，且每個(gè)地塊面積不大，所以選取單鏡頭無人機(jī)中的大疆精靈4 RTK。該無人機(jī)是一款小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，具備厘米級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)[5]，便于攜帶、操作簡單，最主要的是它在1∶500大比例尺地形圖測繪中，具備免像控點(diǎn)的功能，全面提升航測效率。該無人機(jī)具體參數(shù)見表1。

表1 大疆精靈4 RTK參數(shù)

2.2.3 飛行設(shè)計(jì)

（1）航高。相機(jī)參數(shù)一定時(shí)，無人機(jī)飛行高度，直接影響著地面分辨率的大小。航高的計(jì)算方法為：

式中：為飛行高度，單位m；

為鏡頭主距，單位mm；

為像元尺寸，單位μm；

為地面分辨率，單位mm。

（2）航線。在設(shè)計(jì)航線時(shí)需注意：①傾斜攝影航向重疊度不低于70%～80%，旁向重疊度不低于65%～80%[6]；②為保證測區(qū)邊緣區(qū)域模型精度，航線規(guī)劃時(shí)應(yīng)超出測區(qū)范圍至少一個(gè)航線寬度的距離，當(dāng)?shù)孛娓卟钔蛔?，地形特征顯著不同時(shí)，需考慮分區(qū)規(guī)劃航線。

按照需求本次項(xiàng)目選取的航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，航高為80 m（對(duì)于有高層建筑類的地塊根據(jù)實(shí)際確定高度）。

（3）飛行作業(yè)。本次飛行選取的是大疆精靈4 RTK無人機(jī)。它可以用遙控器連接自己的無線熱點(diǎn)，然后采取網(wǎng)絡(luò)RTK模式進(jìn)行采集。具體流程：首先尋找一個(gè)平坦空曠的區(qū)域組裝并啟動(dòng)無人機(jī)，打開遙控器連接無線；本項(xiàng)目選取的是井字飛行模式，然后開始規(guī)劃航線，規(guī)劃的航線需要比目標(biāo)外擴(kuò)一個(gè)航帶（20 m）；規(guī)劃好航線開始設(shè)置參數(shù)，需要根據(jù)當(dāng)前天氣狀況是否需要補(bǔ)光選擇“晴”“水面”“陰”；本次項(xiàng)目采取的是傾斜攝影測量，設(shè)置的云臺(tái)俯仰角為-60°；輸入規(guī)劃好的航向旁向重疊度、航高，最后可以開始起飛。

起飛前注意事項(xiàng)：檢查機(jī)翼是否安裝牢固，以免傷人；確定飛行區(qū)域是否有禁飛區(qū)域，如有禁飛區(qū)域需提前申請(qǐng)空域；檢查云臺(tái)角度是否為0，不為0則需要重新啟動(dòng)無人機(jī)；檢查RTK是否異常，如果為異?？梢陨晕⒌纫幌拢赡転榫W(wǎng)絡(luò)原因，在網(wǎng)絡(luò)差的區(qū)域可以選取衛(wèi)星模式（精度會(huì)差點(diǎn)）；檢查指南針是否異常，如果異常則可以快速撥動(dòng)左上角的P、A、F按鈕，直到頁面出現(xiàn)提示，跟著操作轉(zhuǎn)動(dòng)，最后恢復(fù)P、A、F按鈕到原來的位置；注意電池電量，如果電量過少應(yīng)更換，盡可能避免出現(xiàn)多個(gè)架次；對(duì)于上方有高壓線類建筑物無法確定高度時(shí)，可以手動(dòng)操作起飛，當(dāng)云臺(tái)角度為0時(shí)看不到建筑物頂部，則此高度為安全高度，此時(shí)應(yīng)單獨(dú)記錄此高度。

在飛行作業(yè)過程中，需要注意高層的建筑物，關(guān)注無人機(jī)所在位置、姿態(tài)、電池電量等信息；確保無人機(jī)在視野范圍內(nèi)，當(dāng)遇到突發(fā)情況可以及時(shí)返航；正常情況下無人機(jī)會(huì)保留足夠電量保證返航。

（4）數(shù)據(jù)整理與檢查。在真實(shí)飛行過程中存在各種各樣的外界因素，因此在飛行結(jié)束后需要對(duì)獲取的影像進(jìn)行檢查。在航攝現(xiàn)場通過瀏覽影像，第一時(shí)間對(duì)每張影像上是否存在云、霧、大面積云影等問題進(jìn)行檢查。主要檢查以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)是否有波段丟失、范圍不全的問題，是否有大面積的空洞；影像是否清晰，層次是否豐富，色調(diào)是否均勻，反差是否一致；有無嚴(yán)重噪聲；是否存在嚴(yán)重扭曲、旋偏角過大的問題；影像邊緣是否均勻；有無云、霧、煙覆蓋和遮擋。

最后對(duì)不符合要求的影像區(qū)域進(jìn)行重飛或補(bǔ)飛，確保每張影像都符合項(xiàng)目要求。

2.3 三維建模

對(duì)外業(yè)獲取的影像經(jīng)專業(yè)的軟件進(jìn)行影像預(yù)處理，空三加密得到地塊的三維圖和正射影像圖。

（1）影像預(yù)處理：利用軟件再次進(jìn)行影像質(zhì)檢，確保影像質(zhì)量，無漏拍、損壞等問題；利用圖像處理工具，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行去霧、勻光、勻色處理，采用人工目視的方法，將影像分為不同類型，分別制作對(duì)應(yīng)色調(diào)模板進(jìn)行批量勻光處理，避免出現(xiàn)影像紋理細(xì)節(jié)信息丟失、過度曝光或破壞色彩平衡現(xiàn)象[7]，最終使成果數(shù)據(jù)達(dá)到色調(diào)統(tǒng)一、云霧弱化、噪聲弱化、高亮還原的效果。

（2）空三加密：采用PIX4DMapper軟件，將經(jīng)過預(yù)處理的影像導(dǎo)入軟件，軟件將自動(dòng)讀取影像的pos值和精度。再輸入相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)，開始空三加密，軟件會(huì)自動(dòng)生成需要的DOM（數(shù)字正射影像）和DSM（數(shù)字地表模型）。得到的結(jié)果為此次無人機(jī)飛行地面平均分辨率達(dá)到2.65 cm。

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用的是南方Cass和ArcGis軟件。其中Cass主要進(jìn)行地形信息的采集，ArcGis進(jìn)行高程點(diǎn)的采集。將生成的數(shù)字正射影像和數(shù)字地表模型加入到Cass中，利用Cass的繪圖功能進(jìn)行dwg（CAD文件格式）圖斑范圍內(nèi)及外擴(kuò)20 m的地塊信息采集。尤其是繪出地圖中的標(biāo)志性地物（如建筑物、電線桿等），有利于實(shí)地考察時(shí)辨認(rèn)地塊。利用ArcGis軟件進(jìn)行高程點(diǎn)的采集，需注意高程點(diǎn)須在地表上；再將其結(jié)果導(dǎo)入到Cass軟件加載，最后畫出圖斑內(nèi)地塊的實(shí)際有效范圍，并計(jì)算出面積。

2.5 驗(yàn)收及舉證

驗(yàn)收過程中發(fā)現(xiàn)，在與歷年面積差不多的情況下，今年所使用的時(shí)間大大縮減，提前了一個(gè)多月完成工作。在實(shí)地利用鋼尺及RTK進(jìn)行面積的復(fù)測中，其結(jié)果與傾斜攝影測量得出的結(jié)果誤差可以忽略。在驗(yàn)收中遇到地物遺漏時(shí)，在查看相對(duì)應(yīng)的影像時(shí)，一般為內(nèi)業(yè)漏采，可以立即采集補(bǔ)充；而在以往的測圖方法中，因?yàn)闆]有影像圖，只能拿著儀器對(duì)該地方重新進(jìn)行測量才能得出結(jié)果，浪費(fèi)人力物力。進(jìn)行地塊位置的確定時(shí)，傾斜攝影方法四至準(zhǔn)確，更易確定位置；以往的方法為加快進(jìn)度，往往忽略四至的測量，易造成地塊找不到的問題。針對(duì)大面積尤其是梯田的地塊，利用無人機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行高空觀測，可以做到一目了然。在驗(yàn)收過程中得到了驗(yàn)收組的一致好評(píng)。在舉證入庫時(shí)，通過無人機(jī)航拍可以清晰了解整個(gè)地塊的現(xiàn)狀及地類，可以免去外業(yè)人員圍繞地塊轉(zhuǎn)一圈的麻煩，以及內(nèi)業(yè)不容易分辨出地類的尷尬。傾斜攝影測量與GPS-RTK測量對(duì)同一地塊測量對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 傾斜攝影測量與GPS-RTK測量對(duì)比表

3 結(jié)束語

本次金寨縣的無人機(jī)傾斜攝影測量土地確權(quán)項(xiàng)目對(duì)比以往的方法，在確保精度的情況下極大地降低了外業(yè)的辛苦程度，降低了勞動(dòng)成本，提高了效率。其獲取的平均分辨率為2.65 cm的影像，有助于后期對(duì)耕地進(jìn)行規(guī)劃利用。傾斜攝影測量相比于傳統(tǒng)攝影測量，精度更高，紋理更清晰，解決了遮擋物下無法測量的問題。與傳統(tǒng)土地確權(quán)測量方法相比，其操作簡單，精度高，人力物力消耗更少，效率明顯提高，可成為土地確權(quán)中的首選方案。

[1] 胡曉宇. 基于無人機(jī)影像匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)的人工林冠層模型分割方法研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)，2021: 67.

[2] 連蓉，丁憶，羅鼎，等. 傾斜攝影與近景攝影相結(jié)合的山地城市實(shí)景三維精細(xì)化重建與單體化研究[J]. 測繪通報(bào)，2017(11): 128-132.

[3] 倪煒. 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在規(guī)劃竣工測量中的應(yīng)用[J]. 住宅與房地產(chǎn)，2019(28): 172.

[4] 孫鵬飛，趙凱. 社會(huì)資本對(duì)農(nóng)戶宅基地退出行為的影響:基于安徽省金寨縣的調(diào)研數(shù)據(jù)[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2020，20(5): 128-141.

[5] 羅楓. 免像控?zé)o人機(jī)高清傾斜攝影三維建模精度分析[J]. 鐵道勘察，2020(5) : 9-12.

[6] 蔡振鋒，彭斌，季霞，等. 地市級(jí)實(shí)景三維城市建設(shè)及應(yīng)用: 以實(shí)景三維臨沂建設(shè)為例[J]. 測繪通報(bào)，2021(11): 115-119，144.

Research on the Application of Oblique Photogrammetry in Land Qwnership Confirmation——Taking the Newly Added Farmland in Jinzhai County, Lu'an City, Anhui Province as an Example

Unmanned aerial vehicle oblique photography is a measurement technology developed in recent decades, which has the characteristics of high accuracy, fast speed, and short cycle, and is applied in multiple industries. The article takes the newly added farmland in Jinzhai county, Lu'an city, Anhui province as an example, and applies unmanned aerial vehicle obliquet photogrammetry technology to land ownership confirmation, mainly introducing the acquisition of field data, processing of indoor data, plotting, acceptance, and precautions. The results are compared with traditional measurement methods, and it is concluded that the application of oblique photogrammetry technology in land ownership confirmation can greatly improve work efficiency.

oblique photography; land ownership confirmation; unmanned aerial vehicle

D922.3; P23

A

1008-1151(2023)11-0032-04

2023-05-17

寧茜朝（1998－），男，安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)閷?shí)景三維應(yīng)用。