三維傾斜攝影技術在新化縣房地一體項目中的應用研究

陳則剛CHEN Ze-gang

（湖南省生態地質調查監測所，長沙 410119；湖南中核建設工程有限公司，長沙 410119）

0 引言

為貫徹落實（中發〔2019〕1 號）和（湘發〔2019〕1 號）、《自然資源確權登記局關于進一步做好農村不動產確權登記工作的通知》（自然資登記函〔2019〕6 號）和《湖南省自然資源廳關于印發湖南省農村宅基地房地一體確權登記實施方案的通知》（湘自然資發〔2019〕29 號）等要求，湖南各地自然資源主管部門大力推進農村宅基地房地一體確權頒證相關工作，由于房地一體項目時間緊，任務重，而對于其采用解析法不動產測量技術部分，是此項工作的一大難點，對于一些城鎮開發邊界內，例如集鎮、房屋密集等區域，采用傳統的解析法作業在時間和效率上已然不能滿足要求，然而三維傾斜攝影測量技術能很好的解決這一問題。

1 現狀及困難

目前隨著各地房地一體項目解析法技術工作的展開，各地進行項目作業基本可以分為兩個大類，一種就是傳統RTK+全站儀的數字采集方式，另一種就是新型測量技術，比如無人機等。對于傳統的RTK+全站儀的作業方式來說目前存在著以下幾個問題：

問題一：作業流程復雜，生產效率低下：同時需要滿足界址點中誤差5cm 精度，所以需要大量的外業團隊和多年生產經驗的內業人員，從而導致生產成本很高。

問題二：環境復雜，反復折騰：地籍測量項目因外業作業周期較長，作業方式較為復雜。當測區地物靠近水邊不便測量、戶主不在家等測量工作進度也受到影響，難以高效快速的完成生產任務。

問題三：外業工作時間長，易受環境影響：遇到雨雪天氣，外業作業受到拖延，甚至說是無法進行，拉長周期增加生產成本，外業做完晚上回去還要畫圖，作業人員生產壓力大，團隊流動性強。

2 三維傾斜攝影測量技術原理

傾斜攝影技術是在攝影測量技術之上發展起來的，和攝影測量不同的是：傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載集成多個傳感器，一般為集成的五鏡頭，同時從不同角度進行拍攝。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正射影像（一組影像），鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（四組影像）。以傾斜攝影技術來獲取影像數據作為素材，進行人工或自動化加工處理后得到的三維模型數據的過程，我們稱之為“傾斜攝影建模”。可通過三維模軟件生產出模型，模型生產成本低、周期短、表達更加直觀。自動化建模工藝流程一般會經過多視角影像的幾何校正、聯合平差等處理流程，可運算生成基于影像的超高密度點云，點云構建TIN 模型，并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型，因此也具備傾斜影像的測繪級精度。傾斜攝影自動化建模及其成果，對比人工建模過程，具備“三高一低“的特點，即：高效率、高精度、高真實感和低成本。

3 三維傾斜攝影技術在新化縣房地一體項目中應用案例

本文以新化縣圳上鎮久大村和鼎英村農村房地一體測量為例，測區約2000 宗宅基地，本次采用三維傾斜攝影測量技術和傳統的RTK+全站儀測量技術進行對比，本次測繪分別分為測區踏勘、航線規劃、像控點布設、無人機航飛、三維建模、圖形矢量化采集、精度驗證等七個步驟。

3.1 測區踏勘

開始作業前，須對測區環境的踏勘，是安全作業的前提。提前了解測區環境，有助于高效率安全的作業。

①常規做法是到現場實地踏勘當地地形復雜程度、房屋密集程度等，需要注意測區內最高地物，也可以借助大疆精靈進行探高（建筑、最高樹、高壓線、信號塔等）。

②目前有谷歌地球、奧維地圖等工具存在可在室內獲取需要的測區信息，方便提前在室內就規劃好航線。將kml 范圍線導入谷歌地球中，在范圍中大概均勻畫幾條線，以獲取測區內大概的地形起伏，高差情況。

圖1 農村房地一體化權籍調查工作技術路線圖

③另外關注測區是否在機場、軍事區等敏感區域附近。

3.2 航線規劃

在對測區進行踏勘之后，就可以進行航線規劃，本項目地面分辨率設計為0.015m，航線需要完全覆蓋航拍區域；根據現場地形，風速以及無人機狀態制定合理的航線規劃。

航線設計主要涉及三個方面：范圍、航高和重疊度。考慮到大部分五鏡頭相機側向鏡頭傾斜角度為45°，所以航飛范圍一般是在測區范圍的基礎上四周各外擴一個航高的距離；航高實際上影響的是地面分辨率，根據理想情況下精度≈分辨率的2-3 倍，所以為了保證5cm 的精度，一般地面分辨率設置為1.5cm 左右；為了保證最終模型的精細度，航向/旁向重疊度一般不小于80/75。需要特別注意的是，1.5cm 的分辨率對應的航高在100m 左右，在作業前要注意測區內的建筑物要在二三十米以下，測區相對平坦；如果測區有比較大的起伏建議使用自適應地形飛行或者分段作業并加大重疊度。

3.3 像控點布設

在測區內進行像控點布設，采用RTK 連接HNCORS系統對像控點進行坐標采集，像控點應均勻布置在測區內，且必須滿足相應技術規范。

像控點布設的基本要求：

①按照150m*150m 的格網進行像控點布設，平均1平方公里布設約60 個像控點（無差分情況，如果有差分可視差分效果減少50%-80%）。

②在像控實際點位附近選擇硬質地面，而且盡量選擇空曠區域，在要布設像控的點位上方不要有電線樹枝等遮擋。使用油漆按照50cm*50cm 大小刷出地面標識（寧可大不可小），刷出的地面標識要外邊線平直，外角清晰。

③在測量像控點坐標時最好使用三腳架+基座+RTK，其次是使用支架+對中桿+RTK，最次是使用對中桿+RTK。在測量時要多次測量去掉異常值后取平均值。

④像控點精度是基礎。最低要求5 次平滑后取平均值。

3.4 無人機航飛

圖3 三維傾斜建模

在前期準備工作全部完成后，檢查無人機狀態，確認無誤后就可以進行航飛，在外業航飛前需特別注意以下情況：

3.4.1 環境方面

①應盡量在天氣晴朗，無風或者微風進行航飛；

②空氣通透度良好，無霧霾、濃煙；

③關注室外氣溫，衡量對電池續航的影響；

④測區內是否有高大地物，必須用精靈巡一下測區；

⑤起飛場地周圍是否空曠，避開狹窄、人員多、車流量大的地方；

⑥在確認以上幾點沒問題后，盡量在一天中的9 點-15 點作業。當然，可根據當地經緯度、季節、天氣、工期等條件不同調整作業時間段。

3.4.2 無人機細節檢查

①檢測是否組裝好無人機和五鏡頭相機；

②通電檢查無人機各個傳感器狀態是否正常；

③地面測試五相機拍照性能是否正常，存儲卡剩余空間大小起飛后細節檢查；

④無人機及相機狀態正常后，執行起飛動作，進行外業數據采集；

⑤巡航過程中持續關注無人機電池電量、高度和姿態信息。

3.5 三維建模

在完成外業工作后，進行數據導出，在內業采用Contextcaptuer 實景建模大師軟件進行傾斜建模，這套軟件是是市場主流建模軟件、它具有虛擬現實以及計算機幾何圖形算法的全自動高清三維建模軟功能，它在諸多使用性能上等代表了目前全球相關技術的最高水準。三維傾斜建模的技術路線圖如圖2。

圖2 三維傾斜建模工作流

3.6 矢量化圖形采集

生產出合格的三維模型數據之后，可將其導入到SkyPhoto-Map3D 裸眼3D 軟件進行圖形數據采集，宗地界址點以主要建筑物的滴水范圍先進行采集，房屋房角為界進行采集。

3.7 精度驗證

3.7.1 空三結果精度檢查

引用規范：地籍平面控制點相對于起算點的點位中誤差不超過±0.05m

控制點的平面及高程殘差不要超過成果中誤差的1/2，即需小于0.025m。實景三維模型必須和控制點、檢查點套合，確認精度沒有問題（偏差小于5 公分）再開始矢量化作業。

3.7.2 矢量化成果精度檢查

根據《數字測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 18316-2008）中的檢查驗收規定，選取了50 個均勻分布測區的界址點進行精度對比分析，采集模型成果上面的檢查點的坐標并與實測得到的檢查點坐標進行點位的中誤差計算，通過統計對比分析，得出點位中誤差為0.023m，其精度是優于規范要求的精度，但發現有少部分界址點較差超出0.05m，分析原因及注意事項如下：

①天氣：要求滿足天氣晴朗，飛行航拍照片ISO 必須小于400。

②飛行高度：飛行高度影響飛行的照片分辨率，要滿足1：500 成圖要求，分辨率必須小于1.5cm，也就是說使用單個鏡頭是2400 萬像素的情況下，飛行高度必須要低于96m。

③像控點數量以及像控點布設的合理性：通過測試我們了解到要滿足1：500 的精度要求，像控點必須滿足150m 以內一個，同時要做到在整個測區內均勻分布。

④飛機飛行的穩定性以及五鏡頭的成像品質：這些同樣是影響成圖精度的關鍵因素。

⑤部分區域樹木遮擋，在內業三維模型矢量采集時，精度相對較差，飛機在飛行過程中，可能在這一區域內機身姿態保持較差，也會影響模型精度，從而影響點位精度。

3.8 效率對比

①本測區約2000 宗宅基地，此次采用無人機三維傾斜攝影技術，耗時6 天，投入人員5 人，外業航飛一天，內業空三建模和矢量化數據采集耗時5 天，經檢查，所采集的界址點精度是滿足項目所要求的精度。

②如采用傳統的RTK+全站儀數字采集的技術手段，在投入5 人的情況下，則需要耗時25 天左右，采用傳統作業方式，受天氣的影響，其中在集鎮人員密集區，人員及測量儀器安全的也會響應作業進程。

4 結語

通過上述案例可以看出，采用無人機三維傾斜攝影測量技術能滿足房地一體解析法不動產測量精度要求，在滿足精度的基礎上，采用三維傾斜攝影測量技術能極大的提高工作效率，縮短工期，同時生產出來的成果（宗地圖、房產圖、三維模型）也更加直觀，這項技術為新化縣農村房地一體工作提供強有力的技術保障。