基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的地籍房產(chǎn)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究

王雷 馮幼貴 邢著榮 魯其雷 王靜

摘 要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量是測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高精度測(cè)量新技術(shù)，成果具有現(xiàn)實(shí)感逼真、分辨率高、可量測(cè)和精度可靠等特點(diǎn)。研究了基于該技術(shù)開(kāi)展地籍房產(chǎn)一體化測(cè)量技術(shù)，通過(guò)像控測(cè)量、傾斜航空攝影、空三加密、實(shí)景模型生成、要素采集、精度檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評(píng)定不同航攝地面分辨率的成果精度情況，以期尋求實(shí)際生產(chǎn)中性價(jià)比最優(yōu)的航攝分辨率，最終達(dá)到降本增效的目的。同時(shí)為該技術(shù)在房地一體測(cè)繪中的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供典型參考案例和作業(yè)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量;航攝地面分辨率;實(shí)景三維模型;房地一體測(cè)量;精度評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-757X（2020）11-0126-04

Abstract：UAV tilt photogrammetry is a new high precision measurement technology developed in the field of surveying and remote sensing in recent years and its results are characterized by realistic reality， high resolution， measurable and reliable accuracy. This paper mainly studies the integrated measurement of real estate and cadastral based on this technology， through image control point measurement， tilt aerial photography， aerial triangulation， scene model generation， element collection， precision detection， statistical analysis and other key processes， evaluating the results accuracy of different aerial photography ground resolutions， in order to seek optimal cost-effective resolution in actual production. Ultimately it achieves the purpose of reducing costs and increasing benefits. At the same time， it provides a typical reference case and operation basis for the further popularization and application of the technology in the integrated measurement of real estate and cadastral.

Key words：UAV tilt photogrammetry;ground resolution of aerial photography;real 3D model;measurement of real estate and cadastral;precision evaluation

0?引言

傾斜攝影測(cè)量主要分為有人機(jī)傾斜攝影測(cè)量和無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，是國(guó)際攝影測(cè)量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜和5個(gè)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[1]。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過(guò)先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)的實(shí)景三維模型[2]。實(shí)景三維模型具備3個(gè)特點(diǎn)：①更加逼真地表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。相對(duì)于二維影像，實(shí)景三維模型能多角度反映地物形態(tài)與紋理，更加逼真地表現(xiàn)地物的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，極大地彌補(bǔ)了其他傳統(tǒng)攝影測(cè)量影像的不足。②可進(jìn)行空間量測(cè)。傾斜攝影拍攝的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理出帶有坐標(biāo)位置信息的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣使得基于實(shí)景三維模型可以直接量測(cè)點(diǎn)位的坐標(biāo)、高程，地物的高度、長(zhǎng)度、角度，區(qū)域的坡度、面積[3]、體積。③航攝分辨率高。傾斜攝影測(cè)量的地面分辨率一般優(yōu)于10 cm，多數(shù)優(yōu)于5 cm，甚至可達(dá)1 cm，大大增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)感，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建模數(shù)據(jù)體驗(yàn)感低的遺憾。同時(shí)借助無(wú)人機(jī)等多種飛行載體，可快速地采集影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模。目前該技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)土測(cè)繪、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等諸多領(lǐng)域。

近幾年，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在地籍房產(chǎn)測(cè)量方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越成熟，由于國(guó)家還沒(méi)有出臺(tái)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的相關(guān)內(nèi)外業(yè)規(guī)范，因此在像控點(diǎn)布設(shè)、航攝分辨率等方面還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求。在進(jìn)行地籍測(cè)量時(shí)，為保證地籍精度，大家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)普遍將航攝分辨率控制在1.5 cm以內(nèi)，地籍精度會(huì)穩(wěn)定在±5.0 cm以內(nèi)，當(dāng)然前提是模型的質(zhì)量要比較好。航攝分辨率超過(guò)1.5 cm精度會(huì)如何，目前缺少相關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證。本次研究的目的就是采用1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm航攝分辨率對(duì)同一測(cè)區(qū)進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影并建立三維模型，分析三種分辨率的精度情況，找出超限時(shí)的分辨率臨界值，為提高實(shí)際應(yīng)用中的生產(chǎn)效率提供依據(jù)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，實(shí)景模型的邊長(zhǎng)精度相對(duì)點(diǎn)位精度較高且穩(wěn)定，本次試驗(yàn)一并對(duì)房屋邊長(zhǎng)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1?技術(shù)研究關(guān)鍵點(diǎn)

在保證地籍測(cè)量平面精度、房產(chǎn)測(cè)量邊長(zhǎng)精度的前提下找出性價(jià)比最佳的航攝分辨率。理論上，為提高三維實(shí)景模型的精度，可無(wú)限提高航攝分辨率，但會(huì)大大增大生產(chǎn)成本和降低生產(chǎn)效率，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。本次研究主要是保證地籍界址點(diǎn)點(diǎn)位中誤差可控制在±5 cm以內(nèi)，房屋邊長(zhǎng)中誤差可控制在《GBT 17986.1-2000 房產(chǎn)測(cè)量規(guī)范 第1單元 房產(chǎn)測(cè)量規(guī)定》[4]要求的二級(jí)界址點(diǎn)精度（±5 cm）之內(nèi)，計(jì)劃選取三種地面分辨率，分辨是1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm進(jìn)行航攝。

2?技術(shù)路線

首先在測(cè)區(qū)進(jìn)行根據(jù)Google Earth影像和像控點(diǎn)布設(shè)規(guī)則提前布設(shè)像控點(diǎn)并現(xiàn)場(chǎng)利用SDCORS測(cè)量出其坐標(biāo)，之后利用無(wú)人機(jī)傾斜航攝系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影，分別獲取地面高分辨率1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm的傾斜影像，然后內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三加密、實(shí)景三維建模，通過(guò)攝影測(cè)量工作站基于三維模型采集宗地和房屋，外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)、室內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)位和邊長(zhǎng)精度驗(yàn)證，最后根據(jù)不同分辨率成果的精度情況找出性價(jià)比最高的航攝分辨率并提出改進(jìn)建議，具體技術(shù)流程，如圖1所示。

3?具體實(shí)施

3.1?試驗(yàn)區(qū)選取

試驗(yàn)區(qū)選取在濟(jì)南市章丘區(qū)龍山村，面積約0.5 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)主要為農(nóng)村宅基地，多數(shù)為3層以下房屋，地勢(shì)較平坦，交通便利。

3.2?無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)選取

利用大疆M600多旋翼無(wú)人機(jī)搭載成都睿鉑的銳眼RIY-DG3pros進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)采集。滿負(fù)荷續(xù)航時(shí)間大約0.5小時(shí)，獲取1.5 cm分辨率影像時(shí)單架次航攝面積約0.1 km2，獲取2.0 cm分辨率影像時(shí)單架次航攝面積約0.2 km2，獲取2.5 cm分辨率影像時(shí)單架次航攝面積約0.3 km2。天氣好時(shí)每天可飛行多個(gè)（5～10）架次。

3.2.1?飛行平臺(tái)

考慮到測(cè)區(qū)實(shí)際環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)起降、作業(yè)高度的需求，采用具有小場(chǎng)地起降能力、能夠在航攝過(guò)程中保持穩(wěn)定性的大疆M600 Pro型電動(dòng)六旋翼無(wú)人機(jī)。該機(jī)是一款專門(mén)服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的全新一體化飛行平臺(tái)，其輕量化設(shè)計(jì)的機(jī)身搭載了全天候大負(fù)載動(dòng)力系統(tǒng)，提供最大6.0 kg的有效載重[5]，配備的飛控系統(tǒng)可同步記錄拍攝時(shí)的位置，姿態(tài)等信息。

3.2.2?傳感器

傳感器采用RIY-DG3pros五鏡頭一體化攝影系統(tǒng)，具有重量輕、體積小、焦距合理、可靠性高、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于地形落差較大的地區(qū)或者城市樓層較高的場(chǎng)景做數(shù)據(jù)采集，能在保證分辨率的同時(shí)也能保證無(wú)人機(jī)足夠的飛行高度，以確保無(wú)人機(jī)作業(yè)安全。配套數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，能大幅度提高空三及刺點(diǎn)效率，降低空三報(bào)錯(cuò)概率。RIY-DG3pros使用了長(zhǎng)焦鏡頭，所以即使是樓層較高的建筑物底部也比較清晰。生成模型的房腳線清晰并且基本平直，也保證了后期在采房腳點(diǎn)能夠更加精準(zhǔn)。

3.3?數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選取

使用ContextCapture軟件（原Smart3D）對(duì)傾斜攝影所得的照片進(jìn)行實(shí)景建模。ContextCapture是一款可實(shí)現(xiàn)由照片自動(dòng)生成高分辨率三維模型的傾斜數(shù)據(jù)自動(dòng)三維重建軟件，照片可以來(lái)自于任何數(shù)碼相機(jī)包括智能手機(jī)的相機(jī)，建模水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位[6]。

3.4?傾斜航空攝影

3.4.1?制定飛行計(jì)劃

在執(zhí)行飛行任務(wù)前，需對(duì)測(cè)區(qū)的整體環(huán)境狀況有一個(gè)直觀的把握，包括確定測(cè)區(qū)的地物覆蓋情況、交通狀況、常年氣候情況、地形海拔高低起伏情況、建筑物高度和密集度以及高壓線塔、通訊信號(hào)塔等信號(hào)影響源的分布狀況，并根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際狀況制定飛行計(jì)劃，根據(jù)無(wú)人機(jī)裝備配置進(jìn)行合理的任務(wù)分塊分區(qū)，并選取合適的起降場(chǎng)地。航攝時(shí)間盡量控制在上午9：00至下午16：00之間[7]。

3.4.2?航線設(shè)計(jì)

（1）航高設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的飛行高度是航線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。航攝高度需要根據(jù)任務(wù)要求選擇合適的地面分辨率，然后結(jié)合傾斜相機(jī)的性能，

如式（1）。

（2）航攝重疊度設(shè)計(jì)

空數(shù)字航空攝影規(guī)范規(guī)定“航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%，最小不小于53%;旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，最小不小于8%” [8-9]。在無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)，旁向重疊度是明顯不夠的。不論航向重疊度還是旁向重疊度，按照算法理論值應(yīng)達(dá)到66.7%。

本次航向重疊度按 80%，旁向重疊度按70%設(shè)計(jì)。

具體參數(shù)如下。

（1）1.5 cm分辨率，等間距拍攝，航高108 m，基線長(zhǎng)12 m，航帶間隔45 m。

（2）2.0 cm分辨率，等間距拍攝，航高144 m，基線長(zhǎng)16 m，航帶間隔60 m。

（3）2.5 cm分辨率，等間距拍攝，航高180 m，基線長(zhǎng)20 m，航帶間隔75 m。

3.5?像控點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量

根據(jù)飛行計(jì)劃、飛行高度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況確定像控點(diǎn)的數(shù)量及分布[10]，同時(shí)基于Smart3D算法，從最終空三特征點(diǎn)點(diǎn)云的角度考慮，按每隔10 000～20 000個(gè)像素布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)， 穩(wěn)妥起見(jiàn)，本次點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離在150 m-200 m范圍內(nèi)。同時(shí)需要根據(jù)每個(gè)任務(wù)的實(shí)際地形地物條件靈活應(yīng)用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點(diǎn)非常少的，需要酌情增加控制點(diǎn)。

本次像控點(diǎn)位根據(jù)Google Earth地圖影像，采用四周均勻布點(diǎn)內(nèi)部少量布點(diǎn)的方案[11]。使用油漆在地面繪制人工標(biāo)記作為像控點(diǎn)。用SDCORS系統(tǒng)進(jìn)行RTK測(cè)量，三種分辨率采用同一套像控點(diǎn)。

3.6?空三加密

在保證飛行數(shù)據(jù)能對(duì)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋、照片的拍攝質(zhì)量良好以及像控點(diǎn)滿足精度要求的基礎(chǔ)上，使用Photoshop和航天遠(yuǎn)景EPT軟件對(duì)采集到的影像進(jìn)行調(diào)色和勻色處理。

該系統(tǒng)中空三計(jì)算是自動(dòng)完成，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法進(jìn)行，即以一張像片組成的一束光線作為一個(gè)平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎(chǔ)方程，通過(guò)各光線束在空間的旋轉(zhuǎn)和平移，使模型之間的公共光線實(shí)現(xiàn)最佳交會(huì)，將整體區(qū)域最佳地嵌入到控制點(diǎn)坐標(biāo)系中，從而恢復(fù)地物間的空間位置關(guān)系[12]。作業(yè)時(shí)，利用POS提供的多視影像的外方位元素作為初始值，采用ASIFT，SIFT算法來(lái)進(jìn)行多視影像的特征點(diǎn)匹配，以獲取不同影像之間的連接點(diǎn)[13]。利用試驗(yàn)區(qū)中影像連接點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合像控點(diǎn)，通過(guò)嚴(yán)密的平差計(jì)算，得到連接點(diǎn)的地面坐標(biāo)和多視影像的外方位元素，輸出空三成果。

3.7?三維模型構(gòu)建

空三結(jié)束后，選擇2000國(guó)家大地坐標(biāo)系對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行三維重建，生成OSGB格式實(shí)景三維模型。利用ContextCapture系統(tǒng)根據(jù)影像的匹配算法，自動(dòng)匹配影像中的同名點(diǎn)，然后在影像中提取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云。在上一步建立的影像之間的關(guān)系建立三角TIN，再由構(gòu)建的三角TIN生成白模，ContextCapture軟件會(huì)自動(dòng)的計(jì)算出模型所對(duì)應(yīng)的的紋理，并將紋理映射到由TIN構(gòu)成的白模上，建立逼真的三維模型[14]。生成的實(shí)景三維模型色彩明亮、色調(diào)均勻，無(wú)明顯空洞、拉花和扭曲現(xiàn)象，能夠清晰地表達(dá)項(xiàng)面及各個(gè)立面的紋理信息?；谡鎸?shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景真三維模型，對(duì)真實(shí)場(chǎng)景在原始影像分辨率下的全要素級(jí)別的還原達(dá)到了無(wú)限接近真實(shí)的程度[15]，如圖2所示。

3.8?傾斜三維數(shù)據(jù)采集

利用易繪軟件進(jìn)行傾斜三維數(shù)據(jù)采集，直接對(duì)房（墻）角進(jìn)行量測(cè)，可以調(diào)用該房（墻）角不同視角的多張影像[16]，從不同角度借助十字與垂直輔助線進(jìn)行點(diǎn)與線的量測(cè)。對(duì)比傳統(tǒng)立體像對(duì)測(cè)圖，傾斜三維測(cè)圖可以360°無(wú)死角，因而無(wú)須進(jìn)行房檐改正，提高了工作效率和測(cè)圖精度[17]。測(cè)圖時(shí)一般選取距離地面1.2至1.5 m處的角點(diǎn)位置進(jìn)行采集，一是可有效避開(kāi)墻基外擴(kuò)或下寬上窄的特殊情況，二是外業(yè)量邊時(shí)也量取該位置，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，提高可對(duì)比性。

3.9?精度統(tǒng)計(jì)

點(diǎn)位和邊長(zhǎng)中誤差不能超過(guò)±5 cm，粗差率不能超過(guò)5%。通常認(rèn)為實(shí)測(cè)方法檢測(cè)航測(cè)法屬于高精度檢測(cè)，因此在允許誤差2倍以內(nèi)（含2倍）的誤差參與數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)，超過(guò)允許誤差2倍的視為粗差，如式（2）[18]。

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)均勻、隨機(jī)挑取明顯位置進(jìn)行檢測(cè)。使用GNSS接收機(jī)和全站儀采集明顯的房角或圍墻角，檢驗(yàn)實(shí)景三維模型的點(diǎn)位精度，使用測(cè)距儀量取房屋邊長(zhǎng)，檢驗(yàn)實(shí)景三維模型的邊長(zhǎng)精度，并制作精度統(tǒng)計(jì)報(bào)表。共測(cè)量了136個(gè)房角點(diǎn)，量取了126個(gè)房屋邊長(zhǎng)。誤差分布及趨勢(shì)情況，如圖3所示。

具體精度情況，如表1所示。

3.10?精度評(píng)定分析

精度評(píng)定參照CH/T9015-2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》[19-20]。

（1）點(diǎn)位精度分析：1.5 cm分辨率成果的點(diǎn)位精度較高，中誤差為±3.9 cm，穩(wěn)定控制在±5 cm以內(nèi)，粗差率3.7%，也滿足規(guī)范不大于5%的要求。2.0 cm分辨率成果精度有所降低，中誤差為±3.9 cm，滿足不大于±5 cm的要求，但粗差率為5.9%，略超出規(guī)范不大于5%的要求，效果不佳。2.5 cm分辨率成果精度明顯降低，中誤差增大為±4.8 cm，雖然大于±5 cm，但已十分接近，實(shí)際生產(chǎn)中隨著外界影響因素的增多，點(diǎn)位中誤差很可能會(huì)超出±5 cm，并且粗差率高達(dá)7.4%，顯著超出規(guī)范不大于5%的要求，效果較差。因此，在實(shí)際地籍測(cè)量中，建議航攝地面分辨率選擇1.5 cm，最大不要超過(guò)2.0 cm，否則極易導(dǎo)致粗差率超限而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

（2）邊長(zhǎng)精度分析：三種分辨率的邊長(zhǎng)精度都能滿足規(guī)范要求，雖然分辨率越高，精度越高，但過(guò)度追求高精度也是一種無(wú)謂的浪費(fèi)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中基本能看出，在房地一體測(cè)繪項(xiàng)目中，只要保證了點(diǎn)位精度，邊長(zhǎng)精度會(huì)更有把握達(dá)標(biāo)，即采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，邊長(zhǎng)精度較點(diǎn)位精度更容易達(dá)到。

（3）誤差的頻率峰值一般出現(xiàn)在[4，5]區(qū)間上，誤差多數(shù)分布在[3，5]區(qū)間上，成果的點(diǎn)位中誤差就很可能控制在±5 cm以內(nèi)，若多數(shù)分布在[4，6]區(qū)間上，點(diǎn)位中誤差超限的可能性就大大增加。

4?總結(jié)

本文介紹了基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)開(kāi)展地籍房產(chǎn)一體化測(cè)量時(shí)航攝地面分辨率不同對(duì)測(cè)量精度的影響，選取了三種航攝分辨率，并對(duì)三種分辨率的成果精度進(jìn)行分析。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：1.5 cm分辨率是可以滿足房地一體化測(cè)量精度要求的;2.0 cm分辨率在中誤差偏大，粗差率已超過(guò)臨界值，實(shí)際生產(chǎn)中極易造成精度超限;2.5 cm分辨率中誤差在臨界值附近，粗差率已明顯超限，不可取。因此可初步認(rèn)為性價(jià)比最優(yōu)的航攝分辨率應(yīng)在1.5-2.0 cm之間。

本次研究試驗(yàn)設(shè)置的分辨率種類數(shù)量是有限的和非連續(xù)的，受多種因素的影響，得出的分析結(jié)果不排除存在一定的偶然性，若需得到更加科學(xué)、可靠的結(jié)論，需要付出更多的努力。個(gè)人認(rèn)為可從以下四個(gè)方面著手。

（1）增大驗(yàn)證面積。若要形成確定的結(jié)論和成熟的經(jīng)驗(yàn)，需增大驗(yàn)證面積，增大驗(yàn)證區(qū)類型，增大試驗(yàn)次數(shù)。

（2）增加分辨率種類。比如驗(yàn)證1.7 cm、1.9 cm分辨率時(shí)的精度情況。

（3）適量加大像控密度。本次像控點(diǎn)布設(shè)只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值150-200 m，若要加大像控點(diǎn)密度，比如將像控間距調(diào)整到100-120 m左右，理論上精度應(yīng)會(huì)進(jìn)一步提高。

（4）提高飛行質(zhì)量。飛機(jī)飛行姿態(tài)、成像質(zhì)量很關(guān)鍵，在小于3級(jí)風(fēng)、無(wú)霧霾環(huán)境下，航攝質(zhì)量會(huì)提高，相應(yīng)的模型精度也會(huì)提高。

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（收稿日期：2020.03.24）