傾斜攝影和三維建模技術(shù)及其在農(nóng)村房地一體項目中的應(yīng)用探討

朱義

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊，河北保定 071051）

1 引言

近年來，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化的快速推進，對房地一體項目的要求也越來越高，其中，無人機傾斜攝影測量技術(shù)、實景三維模型制作技術(shù)為此提供了有利的技術(shù)條件。本文結(jié)合房地一體項目的主要內(nèi)容和特點，對傾斜攝影與三維模型技術(shù)在房地一體項目中的應(yīng)用做了分析和總結(jié)。

2 房地一體項目主要實施內(nèi)容及特點

2.1 主要工作內(nèi)容

2.1.1 基礎(chǔ)控制測量

基礎(chǔ)控制測量包括設(shè)計、準備工作、選點埋石、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)平差處理等步驟。

測量方案根據(jù)測區(qū)任務(wù)要求具體情況而定。選擇E 級全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）控制網(wǎng)、城市四等GNSS 控制網(wǎng)或者城市一級GNSS 控制網(wǎng)。

基礎(chǔ)控制點選擇在固定且不易被破壞的位置，同時能夠滿足整個測區(qū)的測量要求。控制點密度要滿足相關(guān)測量規(guī)范的要求。控制點標志一般為預(yù)制混凝土標石，然后運送到選點位置進行埋設(shè)。硬化路面可以采用不銹鋼標志。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集通常采用GNSS 接收機靜態(tài)觀測模式，聯(lián)測已知高等級控制點和待定點，進行衛(wèi)星同步觀測。然后利用相關(guān)軟件進行計算，獲得控制點相關(guān)數(shù)據(jù)。

平差完成后，對控制點成果進行邊長和點位檢測，滿足要求后方可使用。

2.1.2 地籍測繪

地籍測繪的主要內(nèi)容：圖根測量，界址點測量、地籍圖測量。

圖根測量遵循控制測量的基本原則，通常采用網(wǎng)絡(luò)RTK的方法施測。經(jīng)過2 次以上測量，然后取各次測量中數(shù)作為圖根點成果。

界址點是宗地的四周形狀具有界址意義的拐點。界址點精度根據(jù)界址點種類有不同，一般為±5 cm。測量方法采用電子全站儀解析法測繪，網(wǎng)絡(luò)RTK 方法，攝影立體測量法等。

地籍圖測量方法為電子全站儀解析法進行碎部測量。按照規(guī)范規(guī)定的投影方法、比例關(guān)系和專用符號描述地籍及有關(guān)地物、地貌要素的圖，是地籍測繪的基礎(chǔ)資料之一。

2.1.3 房產(chǎn)圖測繪

房產(chǎn)圖是反映房屋基本情況和權(quán)屬界線的圖件，分為房產(chǎn)分幅圖、房產(chǎn)分宗圖和房產(chǎn)分戶圖。

1）房產(chǎn)幅圖可在已有地籍圖的基礎(chǔ)上通過添加房產(chǎn)調(diào)查成果制得，也可以以地形圖為基礎(chǔ)測制，還可以單獨測繪，多采用解析法和丈量法結(jié)合。分幅圖上主要標示的地籍要素和房產(chǎn)要素有：控制點、行政境界線、宗地界線、房屋平面圖、宗地號、幢號、房屋產(chǎn)權(quán)號、門牌號、結(jié)構(gòu)、層數(shù)、房屋用途和用地分類等。

2）房產(chǎn)分宗圖是繪制房屋不動產(chǎn)權(quán)證附圖。

3）房產(chǎn)分戶圖是繪制局部圖，以一戶產(chǎn)權(quán)人為單位，表示房屋權(quán)屬范圍內(nèi)的細部圖，以明確異產(chǎn)毗鄰房屋的權(quán)屬界線，供核發(fā)房屋產(chǎn)權(quán)證的附圖使用。

2.1.4 地籍調(diào)查

地籍調(diào)查的內(nèi)容有：土地權(quán)屬調(diào)查、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和房產(chǎn)調(diào)查等。

1）外業(yè)權(quán)屬調(diào)查是以外業(yè)的方式調(diào)查每塊宗地的權(quán)利人相關(guān)信息、宗地相關(guān)信息、權(quán)屬來源信息等。主要有調(diào)查底圖制作、現(xiàn)場核實、現(xiàn)場指界、記錄等步驟。

2）土地利用現(xiàn)狀調(diào)查是以一定行政區(qū)域為單位，查清區(qū)內(nèi)各種土地利用類型面積、分布和利用狀況。

3）房產(chǎn)調(diào)查對象主要是房屋，需要調(diào)查房屋的權(quán)利人、來源、產(chǎn)別、建筑結(jié)構(gòu)、建成年份、用途等信息。

2.1.5 變更測量

變更測量是地籍測繪工作完成后，對出現(xiàn)變更的情況進行維護和管理。工作內(nèi)容和上述地籍測繪相同，對象為發(fā)生變更的房屋、界址點、權(quán)屬界線等。

2.2 項目難點

2.2.1 需要投入大量的外業(yè)測繪人員

農(nóng)村房屋較為密集，通常采用電子全站儀解析法進行地籍測繪。為保證生產(chǎn)效率以及房地一體成果現(xiàn)勢性的要求，必須投入大量的作業(yè)組進行地籍圖測、房產(chǎn)測繪、繪及界址點測量，才能保證后續(xù)地籍調(diào)查、房產(chǎn)調(diào)查等步驟的順利進行。

2.2.2 外出務(wù)工人員大大降低了實際工作效率

大量的農(nóng)村人員外出打工，農(nóng)村很多宅戶沒有人。現(xiàn)場測繪、指界及調(diào)查工作都需要戶主現(xiàn)場配合，故工作效率大打折扣。

2.2.3 對于隱蔽的界址點、地物點，精度難以保證

對于較為隱蔽的界址點、地物點，常采用電子全站儀解析法測繪，當(dāng)圖根點測站不能直接采集時，需要進行支站處理，導(dǎo)致測量精度不夠。

2.2.4 地籍圖調(diào)繪工作量較大

地籍圖調(diào)繪需要投入更多的人力才能保障調(diào)繪的效率以及內(nèi)業(yè)工作。

2.2.5 圖根點難以保存

農(nóng)村人口集中，圖根控制點一般采用水泥釘或者刻石的方式，容易丟失，并且因解析法的采集效率問題，經(jīng)常會產(chǎn)生補圖根的現(xiàn)象。

3 無人機傾斜攝影測量與三維建模技術(shù)

3.1 無人機傾斜攝影測量

3.1.1 像片控制點測量

像片控制點是測繪航空攝影、傾斜攝影測量的基礎(chǔ)。需要在航空攝影、傾斜攝影前完成。

3.1.2 像控點布設(shè)

野外像控點是航測內(nèi)業(yè)加密控制點和測圖的依據(jù)，通常采用區(qū)域網(wǎng)布點方案[1]。

1）依據(jù)區(qū)域網(wǎng)的劃分原則，每一個區(qū)的航線一般在6 條之內(nèi)每條航線的基線數(shù)在12～13 條，每個區(qū)的像對數(shù)控在80個之內(nèi)。

2）區(qū)域網(wǎng)采用周邊布設(shè)平高點，重點設(shè)檢查點，加測高程點（內(nèi)插高程點）。

在航飛前，先在室內(nèi)進行像控點布設(shè)方案設(shè)計，根據(jù)布點原則和本測區(qū)的具體情況，采用區(qū)域網(wǎng)布點方案進行布設(shè)。像控標志點不能設(shè)在隱蔽地帶、成片水域和強電磁波干擾源附近。像控點均在實地制作標志點，標志點形狀呈直角的L 形或者對三角標志（見圖1），標志點尺寸不小于0.5 m×0.5 m，水泥地面上用紅色油漆或者白色涂刷而成，非水泥地面為了保證標志與地面反差非常明顯，用石灰在地面涂抹而成或者預(yù)先做好靶標，便于在影像上進行識別，像控點測量必須在航飛之前完成，且時間間隔不能超過7 d，保證航片上清晰顯示地面標志，確保在空三加密像控點刺點精度。

圖1 像控點標志示意圖

3.1.3 像控點測量

1）像片控制點測量采用CORS-RTK 按照圖根點的精度進行采集。在進行像控點測量之前，先檢核高等級控制點。

2）像片控制點樁選擇瀝青馬路或不宜被破壞、利于保存的地方。

3）采集的同時進行像片控制點的描述，繪制草圖，記錄編號，進行3 個方向拍照，留取影像。

3.1.4 傾斜攝影測量

借助低空無人機，可快速采集原始影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全自動化三維建模，傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，能同時輸出DSM、TDOM、DLG 等成果。

一般采用電動型低空無人機飛行器，搭載航攝像機，集成有5 個鏡頭，分別從前、后、左、右、垂直5 個方向?qū)Φ匚镞M行拍攝，同時應(yīng)用后差分技術(shù)提高像片的外方位元素的精度。視角航拍，獲取不同角度的傾斜影像數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影測量示意圖

3.2 三維建模

3.2.1 數(shù)據(jù)準備

無人機按計劃的航線進行航飛后，經(jīng)過地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理并按規(guī)范檢查，得出符合要求的航攝數(shù)據(jù)，提交下列數(shù)據(jù)。

1）原始影像以及攝站坐標POS 數(shù)據(jù)

無人機低空航攝需要進行相機畸變糾正才能用于后期空三處理。攝站坐標POS 數(shù)據(jù)是指每張像片曝光時的像片中心坐標數(shù)據(jù)，它是與像片一一對應(yīng)的，包括像片中心點的三維坐標數(shù)據(jù)（X、Y、Z）和飛行姿態(tài)參數(shù)（O、P、K）[2]。

2）像控點數(shù)據(jù)

像控點數(shù)據(jù)包括像控點坐標和點之記以及像控點刺點圖，點之記主要記錄像控點所在位置的信息，刺點圖記錄的是像控點在圖上的準確位置，方便空三加密時刺控制點。

3）機相鑒定報告文件

機相鑒定報告包括相機類型、像幅大小、像元大小、主點坐標（x0、y0）、焦距f、徑向畸變系數(shù)k1、徑向畸變系數(shù)k2、偏心畸變系數(shù)p1、偏心畸變系數(shù)p2、CCD 非正方形比例系數(shù)α、CCD 非正交性畸變系數(shù)β、像方坐標及畸變分布示意圖等。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理一般均采用法國公司的ContextCapture Center進行空中三角測量、控制點加密、平差、三維建模等步驟生產(chǎn)三維模型成果。

1）空中三角測量

將準備好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，進行空三設(shè)置。設(shè)置完成后提交空中三角測量。空三設(shè)置包括：照片路徑、坐標系統(tǒng)設(shè)置、影像使用率設(shè)置、照片重采樣設(shè)置、定向方式設(shè)置、特征點密度設(shè)置、二維碼靶標相關(guān)設(shè)置、平差方式設(shè)置、相機參數(shù)設(shè)置等。

空三完成后，要進行檢查。首先，保證General 選項卡中顯示Georeferencing 情況的空三結(jié)果，才能進行下一步操作。然后，在特征點的三維視圖中檢查又沒有明顯的分層或交叉現(xiàn)象

2）空三刺點優(yōu)化

空三完成后，需要將像控點導(dǎo)入項目中，將空三納入實地坐標系統(tǒng)中。導(dǎo)入像控點之前需要先選擇坐標系，坐標系根據(jù)像控點的坐標系進行選擇。投影要設(shè)置正確。

刺點完成后，設(shè)置優(yōu)化選項，提交，平差完成即可。滿足要求后可進行模型生產(chǎn)。

3）模型生產(chǎn)

建模開始之前，必須進行建模參數(shù)設(shè)置，建模之前必須設(shè)置的內(nèi)容：坐標系統(tǒng)、成果格式、模型成果范圍、坐標原、瓦片大小等。

設(shè)置完成后提交生產(chǎn)。

4 三維建模在房地一體項目中的應(yīng)用

4.1 三維立體數(shù)據(jù)采集

裸眼3D 信息采集形成信息化的DLG 數(shù)據(jù)，特點是：完全面向?qū)ο蟮膭討B(tài)符號化，一套數(shù)據(jù)二三維符號一致、圖屬一體化、圖庫一體化。所有地理要素全部用骨架線+屬性的方式描述，完全滿足GIS 建庫與應(yīng)用需求，在顯示與打印環(huán)節(jié)動態(tài)符號化，完全滿足圖式規(guī)范與制圖需求。

按模型進行全要素采集，做到不變形、不移位、無錯漏。采集過程認真識別，沒有遺漏，以最大限度地減少外業(yè)補測工作量和內(nèi)業(yè)后期編輯的工作量。

4.2 傾斜攝影和三維建模技術(shù)分析

1）在進行外業(yè)像控點布設(shè)時，為了確保數(shù)學(xué)精度和紋理精度達到要求，在農(nóng)村房地一體項目中，像控點密度上進行了加大。像控點平均密度為120 m。

2）在進行傾斜攝影測量時，采用焦距更大的數(shù)碼航攝儀獲取的原始影像的地面分辨率更高，優(yōu)于2 cm。為保證精度，可以采用較高的重疊度，航向重疊度為85%，旁向重疊度為75%。

3）玻璃幕墻、釉面墻磚等高反射的材質(zhì)少，反射折射現(xiàn)象沒有城市中多，光線不雜亂。后期軟件在處理模型紋理方面容易，不出問題。

4）對象為仿真立體模型，裸眼直接觀測，和傳統(tǒng)立體測圖不同，通過建立立體像對恢復(fù)立體模型，更加直觀。

5）三維模型可以自由旋轉(zhuǎn)角度，對于建筑物可以旋轉(zhuǎn)模型直接采集到建筑物角點，無須外業(yè)再進行房檐改正工作。提高了精度。

6）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)采集，采用二三維同步顯示，效率高，一邊采集一邊觀察，如果出現(xiàn)問題可以實時糾正[3]。

5 結(jié)語

結(jié)合傳統(tǒng)地籍測繪的難點和傾斜攝影、三維建模技術(shù)的分析，兩者結(jié)合對比，得出以下幾點結(jié)論：

1）根據(jù)業(yè)主方的要求與項目區(qū)具體情況，結(jié)合傾斜攝影測量、三維模型制作成果，基礎(chǔ)控制測量可以不做，或者基礎(chǔ)控制點數(shù)量可以減少，以達到后期成果檢測要求即可。項目成本得到了節(jié)約。

2）基于三維模型技術(shù)的三維立體數(shù)據(jù)采集，在地籍測繪、房產(chǎn)圖測繪、地籍調(diào)查等方面有極大的優(yōu)勢。外業(yè)方面只需投入傾斜攝影測量作業(yè)人員和布設(shè)像控點作業(yè)人員即可。不論是生產(chǎn)效率還是項目成本節(jié)約方面，都得到了節(jié)約。

3）因其工作效率的優(yōu)勢，故房地一體項目成果的現(xiàn)勢性獲得了有力的保障。

4）三維模型技術(shù)是一種成熟的仿真技術(shù)，是實景的仿真立體模型，人的肉眼可以直接觀測，對于農(nóng)戶來說辨識非常容易和方便，外業(yè)調(diào)查指界等，結(jié)合模型成果，非常利于工作的開展。對于地籍測繪、房產(chǎn)圖測繪等來說，對工作人員的工作的輔助性極大。

5）促進了作業(yè)方式的轉(zhuǎn)變，將大量的外業(yè)工作轉(zhuǎn)化到了內(nèi)業(yè)，在保證現(xiàn)勢性的同時，因其相對較低的時間成本、人力成本、項目成本，故行業(yè)本身也是一種有利的發(fā)展。