基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量及精度驗證

馬 銀，鄭國強，姚國標，史同廣

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南 250101)

地籍測量是在權屬調查的基礎上運用測繪技術測定土地及其附著物的權屬、位置、數(shù)量、質量和利用狀況等，為土地登記和核發(fā)證書提供依據(jù)，為地籍管理服務提供數(shù)據(jù)基礎的一項技術[1]。傳統(tǒng)大比例尺地籍測量主要有基于全站儀、基于GPS和RTK、基于遙感影像、基于車載三維激光掃描等方式，且均面臨成本高、效率低、成圖周期長、成果單一等緊迫問題[2]，本文在此背景下開展應用研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

作為國際測繪領域一項高新技術，傾斜攝影測量(Oblique Photogrammetry)因其能快速、高效獲取地面高分辨率、高重疊度及全視角的影像數(shù)據(jù)信息，近年來測繪領域對其進行諸多探索[3]。該技術通過無人機搭載相機從一個垂直、4個傾斜等5個不同視角同步采集數(shù)據(jù)，顛覆傳統(tǒng)正射攝影從垂直角度進行攝影的局限性[4-7]。該技術在發(fā)達國家被廣泛應用于災害應急指揮、國土安全巡查、城市管理、房產稅收等行業(yè)[7]，國內主要把傾斜攝影測量技術運用在城市三維建模[8-9]、大比例尺地形圖繪制[10]、災后建筑物損毀評估[11]等領域，而基于傾斜攝影測量的大比例尺地籍測量及其精度驗證尚未見文獻報道。

本文針對傳統(tǒng)測量方法難以滿足快速、高效、自動化地籍成圖的實際需求，提出基于傾斜攝影測量的大比例尺地籍測量方法，研究該方法采集地物影像數(shù)據(jù)的具體技術參數(shù)和技術流程，并以海安縣黃陳村為例進行精度檢驗。數(shù)據(jù)檢驗結果表明：傾斜攝影測量技術運用在大比例尺地籍測量中的數(shù)據(jù)精度符合國家標準要求，且成圖效率顯著提高。

1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量

傾斜攝影測量是指相機主光軸明顯偏離鉛垂線或水平方向所獲取影像的過程[12-13]。

1.1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量關鍵技術

基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量的第一個關鍵技術是地物影像數(shù)據(jù)外業(yè)采集所用設備的技術參數(shù)。傾斜攝影技術運用在地籍測量中的樣例較少，尚未出臺相關技術參數(shù)標準。山東建筑大學攝影測量與遙感實驗室及其團隊經多次航飛試驗，探索出一整套可行的低空航攝技術參數(shù)，在該技術參數(shù)的指導下，可快速獲取目標區(qū)域高清影像數(shù)據(jù)，由此自動生成的三維模型精細度高，便于裸眼采集地籍要素數(shù)據(jù)，試驗表明地籍數(shù)據(jù)精度符合國家地籍測量精度要求,技術參數(shù)如表1所示。

表1 無人機傾斜攝影參數(shù)

其另一個關鍵技術是野外像控點布設。像控點是傾斜攝影測量控制加密和測圖的基礎，因此，像控點位置選擇及指示點位的準確程度，直接影響地籍測量成果的精度[14]。像片控制點布設有全野外布點和非全野外布點兩種方式，布點原則可以概括為：依航線或區(qū)域網(wǎng)整體布設，不受單個圖幅限制；盡量布設在相鄰像對和相鄰航線之間的重疊區(qū)域；選擇在地形相對平坦的地區(qū)布設像控點，且周圍盡量沒有障礙物的遮擋(天頂距不小于45°角)；點位標志要清晰可見，用紅色油漆標志點位中心；保證交通便利，易于到達，且遠離強電磁輻射源等[15-17]。

1.2 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量流程

基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量流程，具體如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影的大比例尺地籍測量流程

1)首先要收集測區(qū)已有資料，包括地籍測量成果、控制點成果、地名資料等，并對資料進行分析以保證對已知數(shù)據(jù)的最大利用；設置傾斜攝影測量側視鏡頭偏向、相機曝光、像片重疊度等參數(shù)，進行航帶設計和航線鋪設；根據(jù)前期準備編制項目設計書，明確項目內容及步驟。

2)依據(jù)像控點布設要求，逐個測區(qū)或航帶布設像控點；依照先前預設的航帶安排，進行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集；檢查像片數(shù)據(jù)質量，對像片質量差的區(qū)域進行補飛。

3)對像片進行預處理，將預處理后的像片導入Context Capture軟件中，進行空三加密，恢復影像外方位元素，生成密集點云和三維網(wǎng)格等工作，完成高精度實景三維模型建立；將三維模型導入EPS中，裸眼采集界址點、界址線、宗地范圍等地籍要素。

4)對于內業(yè)裸眼采集地籍要素時遇到的疑問作好記錄，交給外業(yè)技術人員實地進行核查補測。

5)完成地籍要素的采集和補測后，對地籍圖做好分幅整飾工作，自檢和互檢后，移交質監(jiān)部門檢查成果精度是否符合國家地籍測量相關技術規(guī)范指標，達到技術要求方可進行地籍數(shù)據(jù)入庫。

2 試驗及精度評定

2.1 測區(qū)數(shù)據(jù)獲取

依照山東建筑大學攝影測量與遙感實驗室及其團隊總結的技術參數(shù)和流程，選取海安縣黃陳村部分區(qū)域進行地籍數(shù)據(jù)采集和精度評定。所選測區(qū)大約有85塊宗地，面積0.65 km2，地物類主要是房屋建筑、道路、耕地，地勢平坦，無復雜地形。選取晴朗、能見度高、風力小的天氣，在9:00—16:00時間段進行數(shù)據(jù)采集，保證像片無大面積云影、煙和反光等缺陷。將像片導入軟件中完成三維建模和地籍要素采集，成果圖如圖2所示。

圖2 實景三維模型圖和地籍成果圖

2.2 精度評定

為確保試驗數(shù)據(jù)的精確性，需要對成果圖進行數(shù)學精度的驗證，該試驗從界址點點位和界址點間距兩個方面進行精度評定。

2.2.1 精度評定方法

直方圖和正態(tài)分布曲線是常用的數(shù)據(jù)分布形態(tài)探索性分析方法，數(shù)據(jù)的探索性分析是挖掘數(shù)據(jù)深層含義的基礎和前提。借助直方圖和正態(tài)分布曲線對界址點點位誤差和間距誤差進行探索性分析，探尋數(shù)據(jù)的分布狀況和統(tǒng)計規(guī)律，以對數(shù)據(jù)做深層次的分析奠定基礎。

地籍測量是一項具有政府行為的測繪工作，國家高度重視其精確性。國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化委員會發(fā)布《國家基本比例尺地形圖更新規(guī)范》GB/T 14268-2008，在此規(guī)范中明確界址點精度估算公式[18]；國土資源部發(fā)布《地籍測繪規(guī)程》TD/T 1001-2012，明確地籍界址點的精度要求，具體如表2所示[18]。

(1)

(2)

(3)

式中：di為同名點較差，ΔX為X坐標不符值，ΔY為Y坐標不符值，M等為等精度點位中誤差，n為選取的樣本數(shù)，M高為高精度點位中誤差。

表2 地籍界址點的精度 cm

2.2.2 精度評定結果分析

1)界址點點位精度評定結果分析。為保證界址點點位精度檢驗的準確性，依照“均勻分布”的原則在測區(qū)內選取219個界址點做精度評定。對利用傾斜攝影進行大比例尺地籍測量所獲界址點坐標數(shù)據(jù)進行精度檢驗，計算圖上獲取的點位坐標數(shù)據(jù)與實地對應點坐標數(shù)據(jù)差值，分別得到X和Y軸方向誤差，通過分析誤差數(shù)據(jù)，有9個界址點誤差超限，因此有210個界址點參與數(shù)據(jù)分析。將X和Y軸誤差做成直方圖和正態(tài)曲線圖，如圖3所示。

圖3 X軸和Y軸誤差分布直方圖與正態(tài)曲線

由圖3可知：X和Y軸方向的誤差范圍均在-8～8 cm之間，體現(xiàn)了偶然誤差范圍的有界性；X軸方向的誤差主要分布在-2～4 cm，此區(qū)間共有179個界址點，占總數(shù)的85.23 %，而誤差在-8～-2 cm、4～8 cm 的界址點僅占總數(shù)的14.77 %，Y軸方向的誤差主要分布在-4～4 cm之間，此區(qū)間共有185個界址點，占總數(shù)的88.09 %，誤差在-8～-4 cm、4～8 cm的界址點僅占總數(shù)的11.91%，說明偶然誤差存在聚中性，小誤差出現(xiàn)的概率大于大誤差出現(xiàn)的概率；X，Y軸的誤差分布均呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合偶然誤差分布規(guī)律。綜上所述：此210個界址點具有代表性，可進一步做深層次分析研究。

根據(jù)式(1)～(3)進行界址點點位高精度和等精度中誤差計算，計算結果如表3所示(數(shù)據(jù)量大，只展示部分結果)。

表3 界址點點位誤差統(tǒng)計表 cm

界址點點位等精度中誤差:±2.3

界址點點位高精度中誤差：±3.3

計算可得界址點的點位等精度中誤差為±2.3 cm，高精度中誤差為±3.3 cm，均小于表2中級別要求的中誤差±5 cm，因此界址點點位中誤差滿足國家規(guī)范要求，通過實測冗余數(shù)據(jù)充分證明傾斜攝影測量可以在大比例地籍圖上應用。

2)界址點間距精度評定結果分析。本試驗選取30組界址點進行間距精度評價，利用卷尺和鋼尺等測量工具實地測量界址點之間的距離數(shù)據(jù)，與大比例尺圖上獲取的數(shù)據(jù)進行較差計算。把較差做成直方圖和正態(tài)分布圖，如圖4所示。

圖4 界址點間距誤差直方圖與正態(tài)曲線

由圖4的直方圖和正態(tài)分布圖可知：界址點間距誤差范圍在-10～10 cm之間，符合偶然誤差有界性特征；誤差主要分布在-8～4 cm，此區(qū)間共有26組，占總數(shù)的86.67 %，誤差在-10～-8 cm、4～10 cm的界址點間距組數(shù)僅占總數(shù)的13.33 %，體現(xiàn)偶然誤差的集中性分布；且30組界址點間距誤差大體服從正態(tài)分布。綜上所述：此30組界址點間距誤差具有代表性，可進一步做深層次分析研究。

利用式(2)、(3)進行界址點間距中誤差評定(此時di是指圖上距離與實測距離之差)，計算結果如表4所示。

計算可得界址點間距等精度中誤差為±2.7 cm，高精度中誤差為±3.8 cm，均小于表2級別一所要求的中誤差±5 cm，因此界址點間距中誤差滿足國家規(guī)范要求，數(shù)據(jù)有效證明傾斜攝影測量在大比例地籍圖上應用的可行性。

綜上所述：界址點點位和間距的高精度中誤差、等精度中誤差均可達到厘米級，符合國家地籍測量精度要求。結果表明，傾斜攝影測量技術可運用于大比例尺地籍測量。

3 結 論

經上述研究，本文得出如下結論：

1)在飛行高度80 m，側視鏡頭偏向45°，傾斜和垂直鏡頭焦距分別為35 mm和25 mm，旁向重疊度和航向重疊度設置為80%、85%，飛行速度為7 m/s時，可獲取分辨率為0.015 m的影像數(shù)據(jù)。

表4 界址點點位間距誤差統(tǒng)計表 cm

2)傾斜攝影測量技術運用在大比例尺地籍測量中的技術流程可以概括為“三內二外”，在整個流程中需要三次質量檢查，以確保數(shù)據(jù)精度，無人機傾斜攝影航飛參數(shù)和像控點布設是該流程中的兩大關鍵技術。

3)精度檢驗結果表明，界址點點位等精度中誤差和高精度中誤差分別為±2.3 cm、±3.3 cm；界址點的間距等精度中誤差為±2.7 cm，高精度中誤差為±3.8 cm；均符合國家地籍測量精度要求。

綜上所述，傾斜攝影測量在大比例地籍測量中的精度可以達到厘米級，完全符合國家標準要求，這不僅為大比例尺地籍測量提供一種高效率、高精度、高性價比、低成本的新型測量手段，彌補傳統(tǒng)地籍測量方式的缺點和局限性，同時本研究還為傾斜攝影大比例尺地籍測量提供航飛技術參數(shù)和流程參考。