倾斜摄影、超站仪、三维激光扫描等多技术交叉融合的地籍调查方法研究
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摘要 ：针对传统地籍调查方法在人员投入、成本需求和作业效率等方面的痛点和不足，该文以新疆图木舒克市地籍调查项目为例，根据项目任务区的地籍要素特点，将无人机倾斜摄影测量、超站仪无控制点模式支持下的1∶500大比例尺解析法测量、三维激光扫描和基于EPS平台的三维测图等多技术交叉融合运用，并结合优化后的权属调查模式构建出一套适用于面积范围大、房屋较分散的农村国有土地权籍调查方法，同时对无人机倾斜摄影测量技术获取的三维模型精度和多技术交叉融合获得的最终地籍成果精度进行了验证。结果表明：无人机倾斜摄影测量技术获得三维模型精度满足地籍测量精度要求；多种技术交叉融合的方式不仅保证了调查成果的质量，而且有效提高了工作效率；优化后的外业调查方法不仅省时省力，而且调查结果具有公信力。实践证明本文提出的多种技术交叉融合方法值得在开展地籍调查相关工作中推广应用。
引言
开展农村地籍调查，是实现农村地籍信息的社会化服务、建立城乡地政统一管理体系、支撑农村产权制度改革以及实现经济社会发展的基础工作。根据《自然资源部关于全面推进不动产登记便民利民工作的通知》（自然资发〔2018〕60号）、《自然资源确权登记局关于进一步做好农村不动产确权登记工作的通知》（自然资登记函[2019]6号）及新疆生产建设兵团自然资源局的总体部署和工作要求，为实现农村地籍信息的社会化服务，满足城乡地政统一管理及经济社会发展需要，结合新疆生产建设兵团第三师的实际情况，对其所属团（镇）下辖连队地上附着房屋等建筑物、构筑物开展集体土地权籍调查。常用的传统权籍测量方法为全站仪与GPS RTK组合测量方法，虽然该方法能满足不动产权籍调查工作的基本要求，但需要靠“人海战术”进行实地采点和调绘，时间长、成本高。无论从人员投入、成本需求、作业效率，还是从长远发展规划来看，还有较大的提升空间。
近年来随着无人机倾斜摄影测量技术的快速发展，在地籍调查工作中有着广泛应用空间。倾斜摄影测量技术是一种将遥感技术、空间技术以及信息技术等诸多技术有机结合起来的新兴测绘技术。随着无人机技术的不断发展和成熟，使得基于无人机平台的倾斜摄影测量技术可轻松获取厘米级高分辨率的倾斜影像与正射影像，且获取的影像纹理信息极为丰富、真实，可实现自动、高效的三维模型生产，在室内可构建出能真实反映地物的位置、高度和外观等属性信息的三维空间场景，与传统测量技术相比，效率高、精准度高、成本低和抗干扰能力强等成为倾斜摄影测量技术的显著优势。
利用无人机倾斜摄影测量技术获得的实景三维模型可以用来直接测量坐标、采集成图，实现裸眼三维测图。但对于目标地物遮挡及飞行器、相机等因素造成的三维模型模糊或失真、模型不能反映的隐蔽要素，需要辅以外业解析测量进行补测。以新疆图木舒克市的地籍调查项目中任务区的某一连队为研究对象，开展以无人机倾斜摄影测量技术为主，辅助超站仪无控制点测量、三维激光扫描和裸眼测图等技术，采用多种技术交叉融合的方法进行国有土地权籍调查研究，试图为解决地籍调查中精度和效率问题提供一种思路和工作模式。
根据新疆图木舒克市国有土地权籍调查任务区的地籍要素特点，同时结合任务量的难度和大小，综合运用无人机航空摄影测量和倾斜摄影测量技术、徕卡TS60&GS16超站仪无控制点模式支持下的1∶500解析法测量、多制图建库软件（清华山维EPS三维测图、南方Cass9.1和房测之友等）交叉利用等方法构建出一套适用于面积范围大、农房较分散的农村国有土地权籍调查工作模式。
1）准备工作。制定工作方案、已有成果资料的收集与分析、技术设计、表册和设备器材准备、开展试点工作。
2）地籍控制测量。根据不动产测量的需要、XJ-CORS覆盖情况和已有控制点的分布确定控制点的布设。
3）外业调查。包括调查底图制作、不动产权籍调查和不动产测量。其中：①调查底图制作：收集已有大比例尺地籍图、地形图、影像图等，无大比例尺地形图、地籍图时采用无人机航空摄影测量和倾斜摄影测量、超站仪无控制点测量和三维激光扫描测制基础图，然后叠加地籍区和地籍子区界线，预编宗地号制作调查底图。②不动产权籍调查：在连队干部的配合协调下进村入户开展权属调查，对以宗地及其房屋等定着物组成的不动产单元状况，包括宗地信息、房屋（建、构筑物）信息等进行调查。主要内容包括核实和调查不动产权属和界址状况、绘制不动产单元草图、填写不动产权籍调查表（地籍调查表和房屋调查表）等。③不动产测量：在土地权属调查和房屋调查的基础上，对地籍要素和房屋要素进行解析法测量，主要包括图根控制测量、界址测量、宗地图和分户房产图的测绘、面积计算、不动产测量报告的撰写等。
4）数据库建设。图形数据入库、属性数据入库、发证信息入库、数据库应用等。交叉利用多制图建库软件的数据采集、处理和分析能力，完成数据库中图形数据、权籍调查表以及调查的相关信息的导入，拍照或扫描的要件信息的导入，同时完成对导入的数据进行检查，对图形库与属性库进行关联，对扫描要件进行挂接，形成最终成果数据库。
5）成果资料整理、汇总质量检查、验收与归档：调查、测量工作完成后，由县级国土资源主管部门及时组织对不动产权籍调查成果进行验收。调查成果主要包括权籍调查表、地籍图、宗地图和分户房产图、农村不动产权籍调查总结报告等。验收合格后需及时将调查成果和资料整理归档。
6）为保障成果质量和效率，地籍调查作业中采用全流程监理检查机制。
新疆图木舒克市国有土地权籍调查总体技术流程如图1所示。
2.1 外业采集技术
目前常用的权籍调查外业采集技术包括无人机倾斜摄影测量技术、超站仪无控制点模式测量技术和三维激光扫描技术等。其中无人机倾斜摄影测量技术获取的倾斜影像能提供丰富的建筑物立面信息，通过配套软件的应用，可以直接基于成果影像进行高度、长度、面积、角度的量测，实时获取数据。同时倾斜影像能让用户从多个角度观察，更加真实再现地物的实际情况，无限逼近真实世界，弥补了传统正射影像的不足。但对于目标地物遮挡及飞行器、相机等因素造成的三维模型模糊或失真、模型不能反映的隐蔽要素，需要辅以外业解析测量进行补测。对于小范围、少量的补测区域，采用超站仪无控制点测量模式是最佳选择。在普通的碎部测量作业里，需先控制后碎步的工序进行，需要先做控制网，加密控制点，然后使用全站仪进行碎步测量，超站仪(SmartStation)打破先控制后碎部思想，使用超站仪可以免去控制测量过程，直接进行碎部测量，不需要预先布设控制网，省去埋石、打桩、做点之记等大量工作，不用担心因控制点被破坏而测量不能继续的问题。对三维模型中高大建筑物等模糊或者失真区域，宜采用三维激光扫描仪进行补测。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率快速获取被测对象表面的三维坐标数据，进行大比例尺地形测量具有快速性、穿透性、不接触性、实时、动态、主动性、数字化、自动化等特性。
2.2 ESP三维测图系统
EPS三维测图系统是北京山维科技股份有限公司基于EPS地理信息工作站研发的自主版权产品。提供基于正射影像（DOM）、实景三维模型、点云数据（机载Lidar、车载、地面激光扫描、无人机等）二三维采编工具，可实现基于正射影像DOM和实景表面模型的垂直摄影三维测图；基于倾斜摄影生成的实景三维模型的倾斜摄影三维测图；基于各种机载Lidar、车载、地面激光扫描、无人机等点云数据的点云三维测图以及基于倾斜摄影生成的三维实景三维模型的虚拟现实立体测图，系统支持大数据浏览以及高效采编库一体化的三维测图，直接对接不动产、地理国情、常规测绘、智慧城市等专业应用解决方案。
传统立体测图基于卫星遥感、航空摄影和激光点云等数据，通过立体眼睛进行多源立体测图，对设备和作业人员的要求较高。EPS三维测图系统开启裸眼3D信息化测图之旅，EPS地理信息工作站平台基于完全开放的模板控制技术，一般土地权籍调查项目生产作业人员较多，模板控制技术可实现数据的标准化与规范化生产，成果满足整体性、一致性、完全性，可直接建库。同时平台数据是完全面向对象的信息化数据，可实现GIS信息与CAD图像完美结合。
2.3 外业调查模式创新
1）优化房产测量流程。根据收集的房地产总平面图和房屋竣工图，分析已有资料并结合实际调查可知新疆图木舒克市任务区的同一社区内存在较多的相同楼栋和户型，因此对于任务区内的房屋进行实地测量时，先对相同楼栋进行归类，然后对相同楼栋中每个单元内实地测量一组数据，最后求取平均作为最终的实测成果。实践证明此种方法不仅快速高效，而且具有较高的公信力。
2）优化指界流程。传统的权属调查方法，常采用入户调查、现场指界的模式，不仅费时费力，且效率较低，有时还会遇到权利人无法联系到或权利人不积极配合的情况。由于新疆图木舒克市居民主要以维吾尔族为主，汉语沟通能力薄弱、沟通困难。在此次权籍调查中，充分考虑语言交流障碍，权籍调查时在社区工作人员的协助下，在做好疫情防护的前提下将相关人员在指定地点进行集中后，调查人员在室内有序开展权籍调查相关信息采集工作，从而尽可能多的减轻外业调查工作量。首先，在精通维吾尔语和汉语的社区权籍调查负责人的组织协调下，由社区负责人配合调查小组在三维模型和1:500调查底图上进行权属信息采集，按照图属一致的要求录入各种所需信息，填写外业调查表并制成地籍图；然后，对于少量无法指认的宗地和房屋，外业调查人员对其进行现场补充调查；最后，将权籍调查公示图，以行政村为单位进行公示，公示期为15天，在公示期内收到有异议的调查作业人员根据实际情况，集中时间对提出异议的权籍宗地进行重新核定，无异议视为认可权属调查成果，公示期结束之后，保留公示的照片。实践表明采用优化后的权属调查方法在确保调查结果真实可靠的前提下，权属调查效率得到了极大地提升，而且调查结果也有公信力。
采用无人机倾斜摄影测量技术获取任务区影像数据获取，对获取的数据进行预处理后通过在Smart 3D软件完成同名点提取、空三加密、点云提取与三维自动建模，并利用超站仪无控制点测量模式进行外业补测，然后基于EPS平台进行二三维联动进行一体化测图，最后通过全站仪、超站仪结合三维激光扫描仪进行质量检查，并结合南方的CASS、房测之友BMF和SmartGIS REE软件进行建库和成果输出，详细技术流程如图2所示。
图2 多技术交叉融合的地籍图测绘流程
3.1无人机倾斜摄影测量数据
1）数据获取
先向空域管理部门提交空域申请，获批后相控小组开展相控点布设，航飞小组按照无人机摄影测量主要技术指标要求（表1）进行航线规划和起降场地寻找，最后基于飞马D200无人机平台搭载两轴增稳云台的D-OP300五相机倾斜摄影载荷进行任务区数据获取。飞马D200无人机支持RTK、PPK及其融合作业模式，提供厘米级定位精度，配置高精度差分GNSS板卡、高精度IMU等传感器，提供PPK、RTK、高精度POS等多种高精度传感器的解算，可高精度成图；同时具有精准地形跟随飞行功能，配合无人机管家专业版软件，D200可精准跟随地形的起伏实现变高飞行，确保影像分辨率或LiDAR点云密度一致性。根据飞马D200无人机航摄系统的优势，布设本测区像控点时可以做到稀少控制下满足成果精度，详细像控点、检查点和正射相机的POS点位置关系如图3所示。
表1 无人机摄影测量主要技术要求指标表
2）数据处理
采用无人机管家中的智理图模块对获取的数据进行预处理，该模块提供先进的基于检校场模型约束的相机模型自检校算法以及畸变去除工具，RTK/PPK融合解算工具等，能够满足无人机高质量、高精度测绘要求。利用该模块对基站数据及机载数据进行PPK/RTK融合差分解算，得到差分POS数据。基于差分POS数据和删选过的影像数据，采用国内主流的倾斜摄影自动建模系统Smart 3D进行无人机倾斜影像处理，获得真三维模型。Smart 3D实景三维建模系统是通过摄影测量原理，对具有较大重叠度的倾斜影像进行同名点提取、空三加密和点云提取等处理，生成实景三维模型，模型成果可真实反映建筑物间的空间位置关系与纹理特征。
3）精度验证
采用无人机倾斜摄影测量方法进行地籍房屋要素测绘时，应按连队居民地的自然片区进行精度检测（每个区域不少于30个检测点），只有符合航摄影像规范的规定精度才是合格产品。任务区为平地，根据GB/T 23236-2009《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中的要求，区域网平差计算结束后，基本定向点中误差应小于0.13m，检查点误差限值为0.175m。Smart3D航测影像数据处理系统自动生成的质量报告中控制点和检查点精度误差详细信息如表2和表3所示。
表2 控制点误差
表3 检查点误差统计表
由表2和表3可知，控制点和检查点的平面位置中误差均符合航摄影像规范中的要求，表明由无人机遥感航摄生成的1:500数字三维模型结果的精度可靠，可直接作为研究区域地籍调查的基础资料。
3.2.超站仪无控制点测量外业补测
基于新疆卫星导航定位基准服务系统（Xingjiang Continuously Operational Reference System， XJ-CORS），利用徕卡TS60&GS16超站仪的无控制点测量模式对三维模型模糊或失真、模型不能反映的隐蔽要素进行外业解析测量。
先在适合作业的地方架设超站仪，将全站仪（TS60）和GNSS（GS16）配置蓝牙连接，利用CORS系统,通过全站仪操作GNSS RTK测出当前设站点坐标，选择任意一点定向完成后，超站仪直接开始碎步测量，当前测站测量完成后，超站仪搬到定向点采集坐标，完成定向测站校正，这就是超站仪无控制点测量作业的整个流程。采用这种测量作业流程，超站仪可以无限任意设站，即摆即测，不需要担心支导线带来的误差传递累积，同时也不用考虑控制点不够或者控制点无法观测完整个测区，灵活性强、效率高。
3.3 三维激光扫描仪补测和验证
利用Trimble TX8激光扫描仪的无靶标作业模式，作业过程中充分考虑：扫描仪视野（通视性）、仪器高度，与墙壁距离（足够的入射角度）、数据完整性、档位选择（点密度够用即可）、相邻测站重叠率和扫描路线草图等外业因素。其中Trimble TX8扫描仪的扫描速度为100万点/s，标准精度在2 mm以内（在100 m范围内时），内置鱼眼相机，扫描半径为340 m，3 min即可完成单个测站的扫描[22]。
由于作业时间为夏季，任务区的树木已经枝繁叶茂，对房屋遮挡较严重，尤其是团部区域遮挡较为严重，且局部范围较大。此时采用超站仪无控制点模式作业任务量仍较大，且不能直观对楼层高度、层数进行表示，三维激光扫描仪正好可以弥补这一缺陷，可以对三维模型中高大建筑物等模糊或者失真区域进行快速高效补测。
3.4 内业建库
基于倾斜摄影生成的实景三维模型和正射影像，采用EPS三维测图系统进行二三维联动一体化测图实现高精度的大比例尺地形数据的矢量采集工作。作业员利用EPS三维测图系统作业时可裸眼进行信息化测图，无需佩戴立体眼镜（图4a），同时EPS软件利用模型中房屋墙面的可见性，采用基于墙面的房屋采集实现房檐改正（图4b），极大程度上减少了外业调绘的工作量。同时利用南方数码科技有限公司的SmartGIS RRE农村房地一体生产建库平台、房测之友和CASS软件进行辅助测图。SmartGIS RRE软件可对基础数据拓扑问题进行修复，可对导入的数据进行转换，转换为软件中的宗地、界址点线注记图层，以及对底图的属性进行挂接。同时可生成自然幢，批量生成每宗的户籍信息，且可对宗地四至进行一键自动提取，对宗地、界址点/线、注记、自然幢、户、权利人等不动产要素图层进行统一的批量赋值计算。
图4 基于EPS平台的裸眼采集效果展示和成果图
3.5 成果质量核查
无论是采用无人机倾斜摄影测量及时还是全外业测量，最终的地籍界址点精度满足《地籍调查规程》（TD/T 1001-2012）[23]中的要求是进行地籍图质量评价的关键。对基于无人机倾斜摄影测量获得地籍成果中的部分房角点和界址点坐标，采用超站仪无控制点测量模式进行外业实测（实测检查点数据均匀分布），对三维模型成果的精度进行检查，结果如表4所示。由表4可知，其平面中误差分别为0.037m，满足地籍测量上交成果点位误差小于0.05m的精度要求。
表4 平面位置中误差检测统计表
3.6外业调查
外业需要对已收集资料进行整理分析，补全收集不完整资料；完成外业检测点和补测点的测图工作；最后在内业完成出图出表后，依据成果入户调查，权利人指界签字，完成确权。外业调查时采用权利人到社区委员会，调查人员现场确认户主信息是否正确，在指界通知书签字；让相关权利人在三维模型下指界，确认无误后在指界签章表上相应位置签字。
同时指界签字时采用分时段、分批次的方式进行。外业调查员提前3~5 d联系测区负责人，说明情况并提出到测区日期，需要的办公场地及相应的协助调查人员。根据时间和计划，让社区协助人员提前通知相关人员携带身份证分批次到社区办公大厅，在社区协助人员的翻译下进行指界工作；对于缺失资料的权利人，让其携带户口本，进行扫描补齐资料。该方式不仅有序、高效，而且便于权利人提前合理安排时间，是一种“双赢”的调查方式。
3.7 作业效率和成本分析
对于同一任务区的地籍调查（以第三师51团某连为例），采用传统全外业解析测量法和多技术交叉融合方法分别进行调查底图制作，其作业效率和作业成本如表5所示。
表5 作业效率与作业成本对比
通过表5可知：相对于传统地籍测量方法，多技术交叉融合地籍测量方法不仅人员投入少、成本低、效率高，且自动化程度相对较高，极大程度上减轻了测量工作者的内外业工作量。同时无人机测量技术获取的三维模型成果不仅用于地籍调查底图制作，而且可作为调查小组的指界工作的直观参考资料，提高其工作效率，也可为开展其他测绘测量、城市规划、交通管理、消防救护、应急安防和防震减灾等工作提供基础地理信息资料，实现了“一测多用”。
本文通过将无人机倾斜摄影测量技术、超站仪无控制点测量技术、三维激光扫描技术及裸眼三维测图技术交叉融合应用于新疆地籍测量，并利用传统全站仪地籍测量技术对成果质量进行核查，同时采用优化后的权籍调查工作模式进行外业调查，结果表明构建的地籍测量方法和权籍调查工作模式不仅有效解决了少数民族地区农村地籍调查工作中的部分工作痛点与难点，提高了工作效率，同时调查成果能够满足项目区地籍测量需求。
采用多技术交叉融合的作业方式，可以进行各技术手段获取的数据优势互补，完善整个作业过程中的精度与效率问题。随着测绘技术的快速发展，极大地提高了地理信息数据的获取能力，但是在实际应用中，尤其是在复杂的工程领域中每种测绘技术手段均存在其固有的优势与不足。因此，对于各区域存在特殊情况制定具体的测绘技术交叉融合方法，才能更加快速高效完成地籍测量任务。在新疆图木舒克市的地籍调查中，由于无人机倾斜摄影测量获得的连队区域的三维模型效果较好、外业补测量少。只有在团部，因楼房多、树木茂盛，对三维模型中房角点遮挡严重，外业补测工作量相对较大，此时可以采用三维激光扫描技术和全站仪无控制点测量技术进行择优作业。在此次新疆农村地籍调查中，三维激光扫描技术应用相对较少，多采用超站仪无控制点测量模式对三维模型中模糊或失真区域进行外业补测，但对于大城市的地籍调查，建议优先考虑采用三维激光扫描技术进行外业补测。
（原文有删减）
作者简介：张兆鹏（1991— ），男，甘肃武威人，中级工程师，硕士研究生，主要研究方向为无人机摄影测量和卫星遥感。
E-mail: zhaopengzhang1123@163.com
引文格式：张兆鹏，张德成，朱新杰，等．多技术交叉融合的地籍调查方法研究 ［Ｊ］．测绘科学，2022,47（5）：212-220．
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