基于無人機傾斜攝影的地籍房產測量關鍵技術研究

王雷 馮幼貴 邢著榮 魯其雷 王靜

摘 要：無人機傾斜攝影測量是測繪遙感領域近年來發展起來的一項高精度測量新技術，成果具有現實感逼真、分辨率高、可量測和精度可靠等特點。研究了基于該技術開展地籍房產一體化測量技術，通過像控測量、傾斜航空攝影、空三加密、實景模型生成、要素采集、精度檢測、統計分析等關鍵環節，評定不同航攝地面分辨率的成果精度情況，以期尋求實際生產中性價比最優的航攝分辨率，最終達到降本增效的目的。同時為該技術在房地一體測繪中的進一步推廣應用提供典型參考案例和作業依據。

關鍵詞：無人機傾斜攝影測量;航攝地面分辨率;實景三維模型;房地一體測量;精度評價

中圖分類號：TP 393

文獻標志碼：A

文章編號：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

傾斜攝影測量主要分為有人機傾斜攝影測量和無人機傾斜攝影測量，是國際攝影測量領域近十幾年發展起來的一項高新技術。該技術通過從1個垂直、4個傾斜和5個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理[1]。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的實景三維模型[2]。實景三維模型具備3個特點：①更加逼真地表現現實場景。相對于二維影像，實景三維模型能多角度反映地物形態與紋理，更加逼真地表現地物的現實場景，極大地彌補了其他傳統攝影測量影像的不足。②可進行空間量測。傾斜攝影拍攝的數據通過內業數據處理出帶有坐標位置信息的三維點云數據，這樣使得基于實景三維模型可以直接量測點位的坐標、高程，地物的高度、長度、角度，區域的坡度、面積[3]、體積。③航攝分辨率高。傾斜攝影測量的地面分辨率一般優于10 cm，多數優于5 cm，甚至可達1 cm，大大增強了三維數據帶來的現實感，彌補了傳統建模數據體驗感低的遺憾。同時借助無人機等多種飛行載體，可快速地采集影像數據，實現全自動化三維建模。目前該技術目前已廣泛應用于國土測繪、不動產測繪、應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等諸多領域。

近幾年，無人機傾斜攝影測量技術在地籍房產測量方面的應用越來越廣泛，越來越成熟，由于國家還沒有出臺無人機傾斜攝影測量的相關內外業規范，因此在像控點布設、航攝分辨率等方面還沒有統一的標準要求。在進行地籍測量時，為保證地籍精度，大家根據經驗普遍將航攝分辨率控制在1.5 cm以內，地籍精度會穩定在±5.0 cm以內，當然前提是模型的質量要比較好。航攝分辨率超過1.5 cm精度會如何，目前缺少相關的技術驗證。本次研究的目的就是采用1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm航攝分辨率對同一測區進行無人機傾斜攝影并建立三維模型，分析三種分辨率的精度情況，找出超限時的分辨率臨界值，為提高實際應用中的生產效率提供依據。根據以往經驗，實景模型的邊長精度相對點位精度較高且穩定，本次試驗一并對房屋邊長精度進行驗證。

1?技術研究關鍵點

在保證地籍測量平面精度、房產測量邊長精度的前提下找出性價比最佳的航攝分辨率。理論上，為提高三維實景模型的精度，可無限提高航攝分辨率，但會大大增大生產成本和降低生產效率，無法應用于實際生產。本次研究主要是保證地籍界址點點位中誤差可控制在±5 cm以內，房屋邊長中誤差可控制在《GBT 17986.1-2000 房產測量規范 第1單元 房產測量規定》[4]要求的二級界址點精度（±5 cm）之內，計劃選取三種地面分辨率，分辨是1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm進行航攝。

2?技術路線

首先在測區進行根據Google Earth影像和像控點布設規則提前布設像控點并現場利用SDCORS測量出其坐標，之后利用無人機傾斜航攝系統對測區進行傾斜攝影，分別獲取地面高分辨率1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm的傾斜影像，然后內業進行空三加密、實景三維建模，通過攝影測量工作站基于三維模型采集宗地和房屋，外業實測檢查點、室內進行點位和邊長精度驗證，最后根據不同分辨率成果的精度情況找出性價比最高的航攝分辨率并提出改進建議，具體技術流程，如圖1所示。

3?具體實施

3.1?試驗區選取

試驗區選取在濟南市章丘區龍山村，面積約0.5 km2。測區內主要為農村宅基地，多數為3層以下房屋，地勢較平坦，交通便利。

3.2?無人機傾斜攝影測量系統選取

利用大疆M600多旋翼無人機搭載成都睿鉑的銳眼RIY-DG3pros進行傾斜數據采集。滿負荷續航時間大約0.5小時，獲取1.5 cm分辨率影像時單架次航攝面積約0.1 km2，獲取2.0 cm分辨率影像時單架次航攝面積約0.2 km2，獲取2.5 cm分辨率影像時單架次航攝面積約0.3 km2。天氣好時每天可飛行多個（5～10）架次。

3.2.1?飛行平臺

考慮到測區實際環境對無人機起降、作業高度的需求，采用具有小場地起降能力、能夠在航攝過程中保持穩定性的大疆M600 Pro型電動六旋翼無人機。該機是一款專門服務于行業應用領域的全新一體化飛行平臺，其輕量化設計的機身搭載了全天候大負載動力系統，提供最大6.0 kg的有效載重[5]，配備的飛控系統可同步記錄拍攝時的位置，姿態等信息。

3.2.2?傳感器

傳感器采用RIY-DG3pros五鏡頭一體化攝影系統，具有重量輕、體積小、焦距合理、可靠性高、兼容性高等優點，適用于地形落差較大的地區或者城市樓層較高的場景做數據采集，能在保證分辨率的同時也能保證無人機足夠的飛行高度，以確保無人機作業安全。配套數據預處理軟件，能大幅度提高空三及刺點效率，降低空三報錯概率。RIY-DG3pros使用了長焦鏡頭，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能夠更加精準。

3.3?數據處理系統選取

使用ContextCapture軟件（原Smart3D）對傾斜攝影所得的照片進行實景建模。ContextCapture是一款可實現由照片自動生成高分辨率三維模型的傾斜數據自動三維重建軟件，照片可以來自于任何數碼相機包括智能手機的相機，建模水平處于國際領先地位[6]。

3.4?傾斜航空攝影

3.4.1?制定飛行計劃

在執行飛行任務前，需對測區的整體環境狀況有一個直觀的把握，包括確定測區的地物覆蓋情況、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、通訊信號塔等信號影響源的分布狀況，并根據測區實際狀況制定飛行計劃，根據無人機裝備配置進行合理的任務分塊分區，并選取合適的起降場地。航攝時間盡量控制在上午9：00至下午16：00之間[7]。

3.4.2?航線設計

（1）航高設計

無人機傾斜攝影的飛行高度是航線設計的基礎。航攝高度需要根據任務要求選擇合適的地面分辨率，然后結合傾斜相機的性能，

如式（1）。

（2）航攝重疊度設計

空數字航空攝影規范規定“航向重疊度一般應為60%～80%，最小不小于53%;旁向重疊度一般應為15%～60%，最小不小于8%” [8-9]。在無人機傾斜攝影時，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，按照算法理論值應達到66.7%。

本次航向重疊度按 80%，旁向重疊度按70%設計。

具體參數如下。

（1）1.5 cm分辨率，等間距拍攝，航高108 m，基線長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20 m，航帶間隔75 m。

3.5?像控點布設及測量

根據飛行計劃、飛行高度，并結合現場情況確定像控點的數量及分布[10]，同時基于Smart3D算法，從最終空三特征點點云的角度考慮，按每隔10 000～20 000個像素布設一個控制點， 穩妥起見，本次點與點之間的距離在150 m-200 m范圍內。同時需要根據每個任務的實際地形地物條件靈活應用，如地形起伏異常較大的、大面積植被及面狀水域特征點非常少的，需要酌情增加控制點。

本次像控點位根據Google Earth地圖影像，采用四周均勻布點內部少量布點的方案[11]。使用油漆在地面繪制人工標記作為像控點。用SDCORS系統進行RTK測量，三種分辨率采用同一套像控點。

3.6?空三加密

在保證飛行數據能對區域進行全覆蓋、照片的拍攝質量良好以及像控點滿足精度要求的基礎上，使用Photoshop和航天遠景EPT軟件對采集到的影像進行調色和勻色處理。

該系統中空三計算是自動完成，采用光束法區域網整體平差方法進行，即以一張像片組成的一束光線作為一個平差單元，以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現最佳交會，將整體區域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系[12]。作業時，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算法來進行多視影像的特征點匹配，以獲取不同影像之間的連接點[13]。利用試驗區中影像連接點的像點坐標，結合像控點，通過嚴密的平差計算，得到連接點的地面坐標和多視影像的外方位元素，輸出空三成果。

3.7?三維模型構建

空三結束后，選擇2000國家大地坐標系對整個模型進行三維重建，生成OSGB格式實景三維模型。利用ContextCapture系統根據影像的匹配算法，自動匹配影像中的同名點，然后在影像中提取更多的特征點構成密集點云。在上一步建立的影像之間的關系建立三角TIN，再由構建的三角TIN生成白模，ContextCapture軟件會自動的計算出模型所對應的的紋理，并將紋理映射到由TIN構成的白模上，建立逼真的三維模型[14]。生成的實景三維模型色彩明亮、色調均勻，無明顯空洞、拉花和扭曲現象，能夠清晰地表達項面及各個立面的紋理信息。基于真實影像紋理的高分辨率實景真三維模型，對真實場景在原始影像分辨率下的全要素級別的還原達到了無限接近真實的程度[15]，如圖2所示。

3.8?傾斜三維數據采集

利用易繪軟件進行傾斜三維數據采集，直接對房（墻）角進行量測，可以調用該房（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行點與線的量測。對比傳統立體像對測圖，傾斜三維測圖可以360°無死角，因而無須進行房檐改正，提高了工作效率和測圖精度[17]。測圖時一般選取距離地面1.2至1.5 m處的角點位置進行采集，一是可有效避開墻基外擴或下寬上窄的特殊情況，二是外業量邊時也量取該位置，達到標準統一，提高可對比性。

3.9?精度統計

點位和邊長中誤差不能超過±5 cm，粗差率不能超過5%。通常認為實測方法檢測航測法屬于高精度檢測，因此在允許誤差2倍以內（含2倍）的誤差參與數學精度統計，超過允許誤差2倍的視為粗差，如式（2）[18]。

在試驗區內均勻、隨機挑取明顯位置進行檢測。使用GNSS接收機和全站儀采集明顯的房角或圍墻角，檢驗實景三維模型的點位精度，使用測距儀量取房屋邊長，檢驗實景三維模型的邊長精度，并制作精度統計報表。共測量了136個房角點，量取了126個房屋邊長。誤差分布及趨勢情況，如圖3所示。

具體精度情況，如表1所示。

3.10?精度評定分析

精度評定參照CH/T9015-2012《三維地理信息模型數據產品規范》[19-20]。

（1）點位精度分析：1.5 cm分辨率成果的點位精度較高，中誤差為±3.9 cm，穩定控制在±5 cm以內，粗差率3.7%，也滿足規范不大于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，實際生產中隨著外界影響因素的增多，點位中誤差很可能會超出±5 cm，并且粗差率高達7.4%，顯著超出規范不大于5%的要求，效果較差。因此，在實際地籍測量中，建議航攝地面分辨率選擇1.5 cm，最大不要超過2.0 cm，否則極易導致粗差率超限而導致產品不合格。

（2）邊長精度分析：三種分辨率的邊長精度都能滿足規范要求，雖然分辨率越高，精度越高，但過度追求高精度也是一種無謂的浪費。從試驗數據中基本能看出，在房地一體測繪項目中，只要保證了點位精度，邊長精度會更有把握達標，即采用傾斜攝影測量技術，邊長精度較點位精度更容易達到。

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

4?總結

本文介紹了基于無人機傾斜攝影測量技術開展地籍房產一體化測量時航攝地面分辨率不同對測量精度的影響，選取了三種航攝分辨率，并對三種分辨率的成果精度進行分析。

由試驗數據可以看出：1.5 cm分辨率是可以滿足房地一體化測量精度要求的;2.0 cm分辨率在中誤差偏大，粗差率已超過臨界值，實際生產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。因此可初步認為性價比最優的航攝分辨率應在1.5-2.0 cm之間。

本次研究試驗設置的分辨率種類數量是有限的和非連續的，受多種因素的影響，得出的分析結果不排除存在一定的偶然性，若需得到更加科學、可靠的結論，需要付出更多的努力。個人認為可從以下四個方面著手。

（1）增大驗證面積。若要形成確定的結論和成熟的經驗，需增大驗證面積，增大驗證區類型，增大試驗次數。

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

（3）適量加大像控密度。本次像控點布設只是根據經驗值150-200 m，若要加大像控點密度，比如將像控間距調整到100-120 m左右，理論上精度應會進一步提高。

（4）提高飛行質量。飛機飛行姿態、成像質量很關鍵，在小于3級風、無霧霾環境下，航攝質量會提高，相應的模型精度也會提高。

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（收稿日期：2020.03.24）