基于無人機傾斜攝影的房地一體化農村宅基地測量方法研究

傅達好

（福建省地質工程研究院，福州350002）

1 引言

隨著我國國土資源管理的精細化程度越來越高，相關部門對農村區域宅基地的權籍管理工作的要求也逐步提升，同時，城市化過程中對于近郊農村土地征收過程中所涉及的房屋拆遷和土地賠償工作也需要較為精確的權籍證明。因此，對農村宅基地進行房地一體化測量既是保障農戶財產安全的民生工程，又是政府對土地資源進行集約化管理的技術保障。

2 無人機傾斜攝影測量技術概述

2.1 系統構成

無人機傾斜攝影測量技術主要包括航拍影像采集裝置和圖形處理軟件兩大類，其中，航拍影像采集裝置由無人機平臺、云臺、攝像鏡頭、航行控制器等組件構成，而圖形處理軟件則是指各類能夠將航拍所采集的影像資料自動轉換為GIS格式、三維模型格式、數字劃線圖等類型的軟件[1]。

2.2 工作原理

傾斜攝影測量技術是通過安裝在無人機平臺上的多組不同角度的攝影鏡頭，在飛行過程中同步采集垂直角度或其他傾斜角度的影像資料，并通過圖形處理軟件綜合計算飛行高度、航行速度、航向重疊度、旁向重疊、坐標等參數后，最終生成測量對象的三維模型或數字劃線圖。

通常情況下，傾斜攝影測量技術所采用的無人機都搭載有5組攝像頭，其中，1組固定在機腹位置用以采集垂直方向上的影像，即正射投影，而其他4組攝像頭分別以不同的傾斜角安裝在無人機前、后、左、右4個方向上，從而較為完整地采集地面物體側面的輪廓和紋理信息。

3 無人機傾斜攝影測量技術在農村宅基地測量中的優勢分析

首先，無人機傾斜攝影測量技術所搭載的攝像鏡頭可采集圖像分辨率已提高至4K（4 096×2 160）甚至8K（7 680×4 320），在通過圖形處理軟件處理加工后所形成的界址點精度可控制在約0.05 m，雖然不及全面采用GPS-RTK技術所能達到毫米或厘米級別的數據精度，但已經能夠滿足農村區域宅基地測量的數據精度需求。

其次，無人機傾斜攝影測量自動化程度高、測量速度快。目前，無人機傾斜攝影測量技術中需要人為干預的環節較少，如控制點布控、數據參數設置等，其他大多數工作都可由設備或軟件自主完成。同時，在應用無人機平臺后受測量現場場地和交通等條件限制較少，故測量工作的效率較高[2]。

最后，隨著無人機平臺、圖形處理軟件研發單位的不斷拓展，整個技術的設備采購成本將呈現出下降趨勢，而操作人員的數量也在逐步增加，對技術總體成本的控制有一定的幫助。

4 應用的前期準備階段

4.1 應用要點

由于農村地區的地形地貌遠較城市區域復雜，其區域內不僅有各類農舍、倉庫、廠房等建筑物，而且部分建筑物周邊還有種植著各類農作物的耕地、林地、魚塘等非建設用地，甚至在大面積的耕地、林地中存在一棟平時用于堆放生產資料或臨時供人居住的倉庫管理用房。在應用無人機傾斜攝影技術對農村區域宅基地進行測量時，應當對航拍線路規劃和設備進行適當的調試。

4.2 應用方法

首先，飛行線路與飛行高度規劃。在農村地區，建筑層數普遍在5層以內，其建筑高度不超過20 m，在平原的農村除去對植被高度有所限制要求，可將飛行器的航行高度控制在約30 m；而在部分丘陵或山區進行航拍攝影，則需要根據測量區域內的地形變化情況適當進行調解，通常情況下，可基于測量區域最高建筑物或植被高度再加上飛行器的安全超高10 m。為了提高丘陵或山區航拍影像的精度，可將測量區域沿平行于等高線方向分為數條帶狀區域，保證每個帶狀區域內地形標高較為接近，便可適當降低區域內飛行器的高度設置。飛行線路往往會受到測量區域的面積、飛行高度、成果精度要求等因素的影響，同時，還應滿足DH/Z 3004—2010《低空數字航空攝影測量外業規范》要求，通常情況下傾斜攝影測量技術要求攝影圖像重復率控制在約50%。

其次，飛行器的選擇。目前，無人飛行器平臺種類較多，根據結構外形，分為固定翼無人機、多旋翼無人機和無人直升機3大類，不同類型的飛行器在航行高度、滯空時間、飛控系統穩定性、搭載荷載等主要指標上存在較大差異，一般情況下售價越高，專業級的飛行器在上述幾項主要指標上的表現就越高于非專業的飛行器。因此，針對不同測量面積、工作時限、測量精度等要求的測量項目，可結合項目實際需求選擇最為合適的飛行器平臺，從而起到控制項目成本的目的。目前，在農村宅基地測量項目的實際測量工作量較小，采用小型或中型無人機平臺便可滿足需求，由大疆公司生產的M600型和零度智控公司生產的ZT-3V型無人機則是上述2類無人機的經典機型[3]。

最后，攝像設備選擇。通常情況下，無人機傾斜攝影技術中，飛行平臺所搭載的攝像設備多為三攝像頭至五攝像頭的云臺式攝像設備，其鏡頭往往是普通的數碼相機鏡頭，在拍攝過程中，雖然能拍攝到較清晰的影像圖片，但其在對農村區域內被植被遮蓋的建筑物存量較多，故在對其進行測量時攝像鏡頭往往會被植被所遮擋，而無人機也無法進入植被內進行航拍作業。鑒于上述情況，可在飛行平臺所搭載的數個攝像頭中采用近紅外攝像頭進行替換，從而在航拍過程采集到近紅外波段的影像資料，并最終通過后臺軟件處理得出較為清晰的建筑外輪廓線。

4.3 改進建議

無人機傾斜攝影測量技術是通過安裝在飛行器底部傾斜的云臺及云臺內部鑲嵌的攝像頭使飛行器在航行過程中采集到機身斜面的影像數據，故云臺與攝像頭的安裝傾斜角與所獲得的圖像效果有著較為直接的關系。由于農村區域特有的建筑樣式和外部環境結構，在對其進行傾斜攝影測量時，飛行器內云臺與攝像頭的安裝傾斜角應當根據測量對象實際情況予以調整（見圖1）。

圖1中，α為云臺的傾斜角；β為攝像頭傾斜角；OB為傾斜攝像頭拍攝效果最為清晰的視角；AB、BC分別為攝像頭的前視角圖像和后視角圖像。α越小，則在飛行過程中所采集的傾斜圖像范圍越小、測量對象側面被建筑物屋檐或植被遮擋的概率越大。項目地區內，建筑與植被高度均不超過15 m，無人機飛行高度被設置為25 m，故將α設置在約45°則即可保證建筑物屋檐或植被枝葉對測量對象的遮蓋，又可精簡航拍線路。

圖1 攝像探頭安裝角度示意圖

5 應用的飛行測量階段

5.1 技術要點

飛行測量階段是傾斜攝影測量技術采取測繪數據的關鍵環節，其圖像采集的質量、飛行線路定位精度等因素將直接影響項目的測量精度，而在圖像采集和飛行定位的過程中，會被多種外在因素所制約。例如，航拍時，風速過大會導致攝像頭出現劇烈抖動；過強的光照直接進入攝像頭會造成鏡頭曝光過度；定位點坐標偏移則會造成航拍線路錯誤等。

5.2 技術應用

風力和光照條件對于圖像采集質量影響較大，通常情況下，中小型的飛行器能夠在3級風力的條件下開展作業；部分專業型的固定翼飛行器能夠在5級風況下進行作業。為此，進行航拍作業時，應當根據不同設備所能承受的風力等級挑選合適的時機進行航拍。同時，我國多數地區一年中夏秋兩季的光照條件明顯優于冬春兩季，而在每日的12點至14點間光照條件最為充足，此時的陽光多處于直射狀態，建筑物和植被所產生的遮擋陰影最少，故可選擇此段時間進行航拍工作[4]。

無人機的空中三維坐標（以下簡稱“空三坐標”）作為后期圖形處理軟件進行圖形拼接的關鍵數據，其準確性將直接影響測繪精度，空三坐標包括飛行器的經緯度坐標和高度坐標等兩大類，故應采取不同的技術手段予以優化。在測量區域內布設水平坐標控制點，布點時，可利用區域內現有的固定標記物進行標記，如果殼箱、建筑物拐角、花壇等擁有2條直線相交的物體，抑或是在現場用油漆、標記釘等進行標記。可采用等距方式進行點位的均勻布設，也可采用對角線布設的樣式進行布設。針對部分建筑物或植被密度較大的區域，可適當增加布設點以提高定位精度。待所有控制點布設完成后，便可對其進行坐標和高程的測量。由于我國農村區域內測繪界址點的密度及精度較低，無法滿足傾斜攝影技術對坐標精度的要求，故通常采用GPS定位測定布控點的坐標數據。

在正式測量前，可選取部分區域作為實驗區，使用無人機對其進行試飛和試航，從而判斷所選擇的飛行高度和路線是否滿足測量精度要求，如出現圖像模糊等情形，可適當調整飛行高度和云臺與攝像頭傾斜角。在航拍數據采集完成后，須在鄉村對圖像數據進行初步的檢測，如發現部分圖像不夠清晰，可立即對其進行復測。

5.3 改進建議

在采用GPS技術對布控點進行三維坐標定位時，往往會因為定位衛星數據傳輸不佳、衛星數量較少以及GPS定位精度不高等原因會使布控點的三維精度差強人意，為此，提高布控點坐標精度成為保證傾斜攝影技術測量精度的關鍵。在我國沿海發達城市，許多城市的規劃部門已經建立覆蓋全域的GPS-RTK網絡，如測量對象所在的城市規劃部門能夠提供GPS-RTK網絡的接入數據，便可在布點時直接引用相關三維坐標數據。在其他未覆蓋城市GPS-RTK網絡的農村區域進行測量時，可在項目所在地臨時布置“局域網”式的封閉坐標體系，在后期數據處理時，采用臨時“局域網”坐標系并最終采用多點復核方式對臨時“局域網”的三維坐標信息進行復核。

鑒于部分傾斜攝影測量工作是在光照極強的夏季進行，為了避免攝像鏡頭曝光過度，可選擇在每日清晨時分進行航拍作業，同時，在規劃飛行路線時，應當始終保持陽光的直射角。在每次飛行結束后，及時填寫相關作業報告，所填寫的內容應當包括航拍起止時間、氣候狀況、光照強度、風力風向、飛行高度與線路、云臺與攝像頭傾斜角等數據信息，以便后期如需對部分區域進行補測時，可參照其中的參數進行設置，從而獲得視角與效果接近的圖像[5]。

另外，由于近紅外攝像頭采購成本較高，在部分農作物或植被較為茂盛的農村區域進行測繪，可選擇在農作物收割完成后或秋季植被落葉后進行航拍作業，從而大大降低茂密的植被對建筑物的遮擋。

6 應用的后期數據處理階段

6.1 技術要點

傾斜攝影測量技術在農村宅基地測繪項目中最為重要的成果便是數字劃線圖，數字劃線圖作為農村地區不動產權籍調查的主要成果，其制作的精細度會直接影響不動產權籍測量工作質量，也與農戶的切身利益息息相關。數字劃線圖的精度由影像質量、像片控制點精度以及三維模型質量來確定。

6.2 技術應用

通過對航拍階段的影像進行初步質檢可判斷其是否滿足測繪精度要求，一旦發現圖像大面積失焦、畫面抖動等問題，應當立即予以補測。同時，由于傾斜攝影技術所采用的云臺和攝像頭始終與陽光存在一定的夾角，從而會導致不同鏡頭之間出現一定的光線強度差異，因此，在使用航拍影像數據前，應當對其進行勻光、勻色處理。待影像數據處理完成后便可進行POS數據匹配，其間，要根據航拍登記表上所記錄的傳感器尺寸、鏡頭焦距、云臺和鏡頭傾斜角等關鍵數據進行系統配置，從而得到正確的POS匹配數據。目前，傾斜攝影測量技術的后臺軟件自動化處理能力較高，待航拍影像資料的POS數據匹配完成后，系統便可自主完成空中三角測量、三維模型及數字劃線圖的生成。

6.3 改進建議

在軟件自主生成數字劃線圖后，必須人工對數據成果進行核對，核對的內容包括圖像要素、圖像屬性、地籍要素、邏輯關系等。同時，由于無人機在飛行過程中會出現不規則的抖動，從而造成三維模型出現幾何形變，需要對建筑物的外圍輪廓線進行仔細的校核，尤其是部分建筑密度較大、建筑物互相遮擋問題嚴重的區域。

鑒于不同工作人員對圖形的研判會有固定的思維定式，從而造成研判過程中產生一定的誤差，故可安排多位工作人員分別對輸出成果進行校核和研判，并最終通過比對不同研判成果之間的差異來進一步修改和完善數字劃線圖成果。

7 結語

無人機傾斜影像測量技術測量精度高、工作速度快、技術經濟指標好等優勢已逐步在國土資源測繪領域占據一席之地，而在我國農村宅基地測繪工作中，由于工作任務重、基礎數據缺失嚴重等問題，使無人機傾斜影像測量技術得以嶄露頭角。通過不斷改進技術工藝、研發新型設備，無人機傾斜影像測量技術的工作效率和測量精度必將進一步提高，在農村宅基地測繪領域做出應有的貢獻。