基于傾斜實(shí)景模型的空間三維不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量方法研究

劉 輝

（塔城地區(qū)國(guó)土資源規(guī)劃研究院，新疆 塔城 834700）

0.引言

不動(dòng)產(chǎn)是我國(guó)資產(chǎn)的另一種表現(xiàn)形式，主要是指土地、建筑物及其他土地定著物。每一個(gè)用戶所擁有的不動(dòng)產(chǎn)都需要到自然資源局進(jìn)行登記，以便國(guó)家更好地進(jìn)行地籍管理。不動(dòng)產(chǎn)登記中最重要的任務(wù)之一就是不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量。以往的不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量主要通過(guò)工作人員手動(dòng)進(jìn)行的，需要長(zhǎng)期在外作業(yè)，不僅作業(yè)量大、效率還低，另外，還易受到外界環(huán)境的影響，得到的測(cè)量結(jié)果多以二維平面的形式展現(xiàn)，無(wú)法直觀，全面、精準(zhǔn)地顯示不動(dòng)產(chǎn)準(zhǔn)確信息。面對(duì)上述情況，如何提高不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量工作質(zhì)量成為不動(dòng)產(chǎn)登記部門一直致力研究的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題的研究，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多新興技術(shù)用于不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量當(dāng)中，進(jìn)行輔助工作。常用的技術(shù)主要有三種：即三維激光掃描技術(shù)、遙感衛(wèi)星技術(shù)、航空攝影技術(shù)。這些技術(shù)雖然能夠保證圖像信息的準(zhǔn)確性，但是由于都是從單一的角度采集的圖像，因此，在后期建立不動(dòng)產(chǎn)三維空間與人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界存在一定的差距。

針對(duì)上述研究，本次研究將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量工作當(dāng)中。傾斜攝影技術(shù)與一般圖像采集技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)在于是從多個(gè)角度獲取不動(dòng)產(chǎn)影像，故采集到圖像信息更為全面，因此，在后期構(gòu)建的不動(dòng)產(chǎn)三維模型更為直觀、立體。本研究主要分為三部分：第一部分利用傾斜攝影技術(shù)采集不動(dòng)產(chǎn)圖像并預(yù)處理；第二部分建立不動(dòng)產(chǎn)空間三維圖像；第三部分繪制不動(dòng)產(chǎn)地籍圖，在三維不動(dòng)產(chǎn)模型上標(biāo)注土地權(quán)屬界線、面積和土地功能等要素，實(shí)現(xiàn)空間三維不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量研究。通過(guò)本研究以期提高不動(dòng)產(chǎn)登記工作質(zhì)量，提高作業(yè)效率，為相關(guān)領(lǐng)域提供一定的幫助。

1.基于傾斜攝影技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量研究

不動(dòng)產(chǎn)登記關(guān)系到千家萬(wàn)戶的土地使用權(quán)利的行使以及國(guó)家對(duì)土地的管理和規(guī)劃。在不動(dòng)產(chǎn)登記中，不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量是一項(xiàng)最重要的任務(wù)，主要工作是采集不動(dòng)產(chǎn)圖像，然后，在其上標(biāo)注一些地籍信息，讓人能直觀看到不動(dòng)產(chǎn)信息。以往不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量多是在二維平面上標(biāo)注信息，非專業(yè)人員很難理解，因此，為提高不動(dòng)產(chǎn)信息直觀性，本研究利用傾斜攝影技術(shù)建立三維實(shí)景模型，完成測(cè)量工作。

1.1 基于傾斜攝影技術(shù)的不動(dòng)產(chǎn)圖像采集與處理

不動(dòng)產(chǎn)圖像采集的測(cè)量工作的首要環(huán)節(jié)，采集到的圖像質(zhì)量關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以往常用的不動(dòng)產(chǎn)圖像采集方法主要有三種：即三維激光掃描技術(shù)、遙感衛(wèi)星技術(shù)、航空攝影技術(shù)，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能滿足不動(dòng)產(chǎn)詳細(xì)測(cè)量的需要。幾種采集技術(shù)的對(duì)比（如表1所示）：

表1 圖像采集技術(shù)對(duì)比

從表1可知：方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。基于此，本研究利用新興的傾斜攝影技術(shù)作為采集技術(shù)，應(yīng)用到不動(dòng)產(chǎn)圖像采集工作當(dāng)中。傾斜攝影技術(shù)彌補(bǔ)了上述三種采集技術(shù)的缺點(diǎn)，同時(shí)由于搭載的采集設(shè)備為五鏡頭相機(jī)，采集到的圖像信息更加全面，不僅包含了垂直方面上的圖像，還包含了傾斜方向上的圖像，能夠從多個(gè)視角觀察不同表面的信息，全方位獲取目標(biāo)不動(dòng)產(chǎn)輪廓、紋理等信息。

在利用傾斜攝影技術(shù)采集圖像前，需要注意一個(gè)重要的問(wèn)題，就是像控點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)就是攝影測(cè)量的控制點(diǎn)。在無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)航測(cè)時(shí)，通過(guò)使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK），或者全站儀在所拍攝的測(cè)區(qū)內(nèi)建立的具有標(biāo)志性的真實(shí)坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)所做的像控點(diǎn)，可以對(duì)后期無(wú)人機(jī)航測(cè)出的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行矯正，從而完成無(wú)人機(jī)的測(cè)量，這直接關(guān)系到后期內(nèi)業(yè)制作三維模型和編繪成圖的精度[1]。像控點(diǎn)布設(shè)原則如下：

（1）像控點(diǎn)選擇的位置要盡量均衡分布在研究區(qū)內(nèi)；

（2）布設(shè)在同一位置的像控點(diǎn)應(yīng)聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn)；

（3）像控點(diǎn)應(yīng)避免布設(shè)成直線或近似直線的形式；

（4）布設(shè)在同一位置的平面點(diǎn)和高程點(diǎn)應(yīng)盡量聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn)；

（5）像控點(diǎn)布設(shè)盡量確保成圖滿幅；

（6）每個(gè)點(diǎn)位做成像控點(diǎn)標(biāo)記時(shí)用手機(jī)拍攝最少兩張圖像。

不動(dòng)產(chǎn)圖像在采集之后，為保證后期建模精度，需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理工作目的是去除圖像噪聲，提高圖像清晰度。然而，一般濾波方法在去除噪聲的同時(shí)，也會(huì)把邊緣細(xì)節(jié)信息模糊掉。為解決這一問(wèn)題，在這里采用一種雙邊濾波算法進(jìn)行去噪，雙邊濾波算法數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示：

式（1）中，p=（x，y）為圖像I的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)；BIp為雙邊濾波后的圖像灰度值；q=（u，vw）為圖像I另一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)灰度值，即q∈s，s為鄰域像素點(diǎn)集合。

其中，

式（2）、式（3）、式（4）中，Wp為歸一化因子；Gσs、Gσr為代表空間鄰近度因子和灰度相似度因子、距離標(biāo)準(zhǔn)差和灰度標(biāo)準(zhǔn)差。

1.2 不動(dòng)產(chǎn)空間三維實(shí)景建模

基于上述采集并處理好的不動(dòng)產(chǎn)圖像、像控點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)飛行POS數(shù)據(jù)，結(jié)合三維建模軟件，進(jìn)行不動(dòng)產(chǎn)空間三維建模[2]。建模基本流程（如圖1所示）：

圖1 不動(dòng)產(chǎn)空間三維建模流程

首先將建模需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到建模軟件當(dāng)中，其次在軟件中選取特征提取功能，提取不動(dòng)產(chǎn)圖像中的特征點(diǎn)，重復(fù)提取過(guò)程，直至所有不動(dòng)產(chǎn)圖像都完成提取工作，然后對(duì)不同圖像中的像素點(diǎn)進(jìn)行多視角影像密集匹配，恢復(fù)圖像的空間位置和姿態(tài)，生產(chǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接著基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維格網(wǎng)，并進(jìn)行紋理貼圖，最后進(jìn)行漏洞修復(fù)、渲染、修飾、烘焙等等，提高三維模型的逼真程度[3]。

整個(gè)三維建模過(guò)程較為復(fù)雜，需要在建模軟件幫助下完成。目前，常用的三維建模軟件有三種，其各自特點(diǎn)（如表2所示）：

表2 三維建模軟件對(duì)比表

1.3 不動(dòng)產(chǎn)信息標(biāo)注

基于上述建立的不動(dòng)產(chǎn)三維模型，隨后進(jìn)入最后一個(gè)環(huán)節(jié)，即在模型上標(biāo)注相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并繪制地籍圖[4]。繪制過(guò)程如下：

（1）將整個(gè)研究區(qū)內(nèi)不動(dòng)產(chǎn)三維模型劃分為若干個(gè)區(qū)塊；

（2）將建立場(chǎng)景模型添加到各個(gè)區(qū)塊所對(duì)應(yīng)的地塊上去；

（3）將地籍信息，如，不動(dòng)產(chǎn)位置、面積、尺寸、高度等數(shù)據(jù)文件貼合到三維模型當(dāng)中；

（4）調(diào)整與校正；

（5）生成地籍圖；

（6）獲得不動(dòng)產(chǎn)登記測(cè)量表[5]。

2.實(shí)例分析

為測(cè)試所研究方法在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量工作中的應(yīng)用性能，以Smart 3D軟件為輔助，進(jìn)行實(shí)例分析與測(cè)試。

2.1 研究區(qū)概況

以某村落為例，作為不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量方法測(cè)試研究區(qū)。該村落總面積546.5km2，總?cè)丝跒?354人，其中，居民居住面積471.36 km2，公共設(shè)施面積54.62 km2，其他功能區(qū)面積20.52 km2。建筑類型多為平房，很少一部分為低矮樓層。研究區(qū)示意圖（如圖2所示）：

2.2 不動(dòng)產(chǎn)圖像采集

以一架無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)組成傾斜攝影設(shè)備，采集圖2研究區(qū)內(nèi)的不動(dòng)產(chǎn)圖像，采集場(chǎng)景（如圖3所示）。

圖2 研究區(qū)示意圖

圖3中，無(wú)人機(jī)為A-051 多旋翼無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)最大荷載為10kg，起飛重量為28kg，最長(zhǎng)飛行時(shí)間為6h，最大起飛海拔高度2500m，定位精度為≤1m，最大抗風(fēng)等級(jí)為6級(jí)，最大水平飛行速度為100km/h。

圖3 采集場(chǎng)景圖

圖3中，五鏡頭相機(jī)SHARE-1005。它是賽爾無(wú)人機(jī)旗下第三代五相位傾斜攝影相機(jī)，相機(jī)具有重量輕、像素高、畫幅大、焦距長(zhǎng)、操作便捷、穩(wěn)定安全等優(yōu)勢(shì)。相機(jī)參數(shù)如下：有效像素為2430w總像素，傳感器尺寸為APS畫幅（23.5 mm×15.6mm），傾斜角度為45°，存儲(chǔ)容量為320G，曝光為飛控觸發(fā)曝光（曝光時(shí)間≥0.8s），鏡頭焦距為35mm×4+25mm定焦測(cè)繪鏡頭。

傾斜攝影設(shè)備工作參數(shù)設(shè)置如下：地面分辨率為2cm，航高為80m，旁向重疊度為75%，航向重疊度為80%，POS數(shù)據(jù)格式為TXT，影像格式為JPG。

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)方案

基于本文像控點(diǎn)布設(shè)原則，在研究區(qū)中央布設(shè)1個(gè)高程點(diǎn)，然后圍繞這一點(diǎn)在周圍布設(shè)8個(gè)平高點(diǎn)，布設(shè)方案（如圖4所示）：

圖4 像控點(diǎn)布設(shè)方案

2.4 不動(dòng)產(chǎn)三維模型

選擇表2介紹的三維建模軟件中的Smart 3D建立不動(dòng)產(chǎn)三維模型，建立結(jié)果（如圖5、圖6所示）：

圖5 不動(dòng)產(chǎn)三維模型

圖6 不動(dòng)產(chǎn)三維局部模型

2.5 地籍信息標(biāo)注

在建立的不動(dòng)產(chǎn)三維模型上標(biāo)注地籍信息，完成地籍圖繪制，結(jié)果（如圖7所示）：

圖7中，用戶不動(dòng)產(chǎn)生成的對(duì)應(yīng)登記測(cè)量表（如圖8所示）：

圖7 地籍信息標(biāo)注結(jié)果圖

圖8 不動(dòng)產(chǎn)登記測(cè)量表示意圖

2.6 測(cè)量精度分析

選取圖5中5棟不動(dòng)產(chǎn)建筑作為測(cè)量精度分析對(duì)象，對(duì)模型中具有代表性的特征高度、特征邊長(zhǎng)進(jìn)行多次量測(cè)求取平均值，再結(jié)合竣工驗(yàn)收測(cè)量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果（如表3所示）：

表3 測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

其中，中誤差的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，如式（5）所示：

式（5）中，Δ為真誤差；n為觀測(cè)值數(shù)量；[ ]為求和符號(hào)。

從表3中可以看出：對(duì)照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，5棟不動(dòng)產(chǎn)建筑高度和長(zhǎng)度的最小誤差，最大誤差以及中誤差均小于0.5m，說(shuō)明方法所測(cè)量結(jié)果能夠滿足Ⅰ級(jí)精度，達(dá)到了目標(biāo)要求。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，不動(dòng)產(chǎn)作為資產(chǎn)的另一種表現(xiàn)形式，為方便國(guó)家對(duì)這部分進(jìn)行管理和規(guī)劃，需要對(duì)不動(dòng)產(chǎn)進(jìn)行測(cè)量和登記，因此，本文對(duì)基于傾斜實(shí)景模型的空間三維不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量方法進(jìn)行了研究。該方法創(chuàng)新點(diǎn)在于利用傾斜攝影技術(shù)采集到的不動(dòng)產(chǎn)圖像信息更加全面，使得測(cè)量結(jié)果能夠更為直觀地表現(xiàn)出來(lái)，方便人們進(jìn)行查閱。并通過(guò)實(shí)例分析，證明了所研究方法的有效性以及測(cè)量精度。然而，本研究仍存在不足之處，即不動(dòng)產(chǎn)三維模型建模時(shí)所需要的數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行多次數(shù)據(jù)獲取，因此，建模存在一定的誤差，雖然誤差在可以接受的范圍內(nèi)，但仍有進(jìn)步的空間，因此，有待進(jìn)一步分析和探討。