【技术】无人机倾斜摄影的房地一体化农村宅基地测量方法
摘 要: 由于农村宅基地测量通常采用GPS－ＲTK、全站仪的实地测量方法，本文分析了无人机倾斜摄影的工作原 理与应用优点，提出将该技术应用到农村宅基地权籍调查测量项目中，并以实际应用为例，研究无人机倾斜摄影 测量在农村宅基地测量中的技术流程，并对获取的数据成果精度进行详细分析验证。结果表明，该方法成图精度能满足农村宅基地测量要求，相比传统测量方式可减少投入，提高效率。
关键词: 无人机倾斜摄影; 三维建模; 立体测图; 宅基地测量
引 言
农村宅基地及房屋权籍调查是以“权属合法、界址清楚、面积准确”为原则，以不动产单元为基本单位，重点复核农村宅基地、集体建设用地权属调查、地籍测量成果，完成地上房屋及其定着物的调查和测量，建立农村“房地一体”的权籍调查数据库，满足不动产统一登记工作的需求。传统的不动产测量通常采用GPS－ＲTK 结合全站仪的实地测量方法，该方法的优点是精度高，缺点是工作量大，需投入大量人力、物力且效率低、周期长、成本高。随着倾斜摄影测量技术的发展和无人机的快速成熟应用，基于无人机技术的倾斜航空摄影测量，可以方便、灵活地获取摄取多角度高分辨影像，快速自动地生成实景三维模型，并可以在室内基于实景三维模型进行地理要素采集，替代了外业实测，节省了时间，具有效率高、成本低、数据精确等特点。因此，研究将无人机倾斜摄影应用于农村不动产房地一体测绘工作具有重要意义。本文以襄阳市农村宅基地权籍调查项目为契机，提出利用无人机倾斜摄影方法获取地籍测量、宅基地测量数据，并实地采点检验该方法的可靠性，希望为实现农村宅基地快速调查测量提供新的技术方法。
1.1 倾斜摄影工作原理
倾斜摄影是利用倾斜相机获取地物信息的一种新型的航空摄影方式，一般由飞行平台、倾斜相机、POS系统3个核心部分组成，能从垂直、倾斜等不同角度采集影像， 获取地面物体更为完整准确的信息，同时记录航高、航速、航向重叠、旁向重叠、坐标等参数。一般倾斜摄影采用5镜头相机，1台获取垂直影像，另外，4台从前后左右4个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在 40°—60°之间，可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影系统搭载在有人机或无人机上，可以快速获取地物三维模型且成像效果好，是大场景三维建模测图的重要选择。
1.2 无人机倾斜摄影优点
将倾斜摄影系统搭载在无人机上进行摄影测量获取 地物信息即是无人机倾斜摄影，倾斜摄影技术三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，借助无人机，可快速采集影像数据，实现全自动化三维建模，具有成本低、数据获取准确、操作灵活方便的特点。具体如下:
突破了传统航测单相机只能从垂直角度拍摄获取 正射影像的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台影像传感器，同时从垂直、倾斜多个不同角度采集带有空间信息的真实影像，以获取更加全面的地物纹理细节，更加真实地反映地物的实际情况。
通过无人机搭载倾斜摄影相机进行地形测绘，配 合自动化的影像匹配、建模建模系统可以减少人工干预， 提升工作效率。
节约人力、效率高，能极大地缩短测绘外业的协同 工作，解决了由于天气等外因造成的工作延误，把原本大量的外业工作转变成内业工作，极大地缩短了测量人员的劳动时间，降低了外业劳动强度。
倾斜影像能为用户提供丰富的地理信息产品，实现二三维的数据叠加和展示，为相关地籍管理信息系统提供辅助决策分析。
2.1 实验区选择
以襄阳市农村宅基地及房屋权籍调查项目为例，选取卧龙镇屠巷村为倾斜航飞试验区，摄区面积0.5 km2，采用倾斜摄影测量技术开展房屋等建筑物、构筑物的测量和基本权属情况调查查清集体土地权属、界址、面积和利用状况，完成详细、真实、准确的地籍图、房产分区分户图等工作，以替代传统的人工现场采集方式。
2.2 技术方法和流程设计
为验证无人机倾斜摄影技术在农村宅基地测量中的应用可行性，研究以无人机倾斜摄影技术为数据获取手段，以ＲTK、全站仪测量为测量控制，结合数据自动编辑处理软件，进行高分辨率倾斜摄影建模与大比例尺测图生产试验。
研究总体思路为: 外业倾斜航飞数据采集、内业倾斜影像三维模型重建、CASS数据采集编辑成图，具体技术流程如图1所示。
图 1 倾斜摄影测图技术流程
2.2.1 倾斜航飞数据采集
研究外业数据采集航飞平台采用测绘专业级大疆M600 pro 六轴无人机，旋转角速度俯仰轴: 300°/s，航向轴 150°/s，飞行高度 2 500 m。
航摄仪采用睿铂ＲIY－DG35镜头倾斜摄影相机，像幅为6 000×4 000，相机焦距40 mm，像元尺寸 3.9 μm。
本次摄影要求地面分辨率20cm，航向重叠度80% ，旁向重叠度70%。
大疆M600 pro 一个架次飞行面积约为0.35 km2。航线布设为东西向，为保证测区内重叠度，飞行时外扩飞行高度 80%的距离。
外业像控点是数字三维模型精度的来源，为保证三维模型的数学精度，根据数字倾斜三维模型地籍测量项目的经验，像控点采取飞行之前人工喷涂的方式进行布设( 如图2所示) ，布设间距控制在200m以内。
图2 像控点布设示意图
2.2.2 倾斜影像三维建模
将外业航飞采集的影像数据、pos数据、地面控制点数据导入预处理软件中检查测区范围内影像重叠度及照片质量、飞行质量检查等工作，对于重叠度不合格及照片质量不达标的架次及时重飞，确保数据无误。将预处理好的数据导入SMAＲT3D软件中进行数据处理，经过空三加密解算、区域网联合平差、多视影像匹配、DSM生成、真正射纠正、三维建模等，形成最终OSGB 格式的三维模型产品，如图3所示。
图3 倾斜影像三维模型
2.2.3 成图
采用EPS 三维测图软件进行立体测图，将Smart3D生成的 OSGB 格式的三维模型数据导入，进入三维编辑界面，进行矢量数据采集编辑，主要采集居民地，道路、水系、植被、地貌、管线、垣栅、工矿建( 构) 筑物、独立地物等 要素及属性，制作满足要求的数字线化图。采集完成后对内业无法测准及遮挡的要素进行外业调绘和补测，调绘结束后对DLG图面进行更新及图幅整饰。
2.3 精度分析
地籍测绘、房产测绘等不动产测绘的精度通常以界址点点位误差和面积测算精度为依据的。为了验证成果精度，采用数据均匀抽检的手段，使用ＲTK和全站仪进行外业实测房屋界址点坐标和面积量算与三维立体模型 采集的房屋界址点及面积进行精度比对。
2.3.1 界址点精度
根据《地籍调查规程》( TD/T 1001—2012) 规定土地 使用权明显界址点精度不低于一级和《城市测量规范》 ( CJJ/T 8—2011) 中二级房产界址点精度中界址点相对于邻近控制点的点位误差和相邻界址点间的间距误差中误差不超 5 cm，允许误差不超过10cm。本次试验采集作业区16个宅基地界址点，见表1。
根据界址点计算公式:
式中，n 为检查点个数。
根据公式(1) 计算，界址点平面中误差为 0.049 m，最大误差为0.081 m，误差超过0.05的检查点有4个，所有界址点精度均在限差范围内。因此，立体测图的界址点精度可以满足农村宅基地精度测量要求。
2.3.2 宅基地面积精度
依据《城市测量规范》( CJJ/T 8—2011) 规定房产测量的精度以中误差作为评定精度的标准，以两倍中误差作为限差。其中，农村地区的房产面积精度满足三级精度即可，其中误差公式:
式中，S为房产面积。
根据公式( 2) 的计算公式，均匀选取作业区16幢房 屋进行面积检查，得出结论见表2，房屋面积误差在1倍中误差范围内的有12幢，在2倍中误差范围中的有4幢， 均满足农村地区三级房产面积测量精度。因此，采用无人机倾斜摄影的方式进行房屋面积测量精度符合规范要求。
本文针对农村宅基地权籍调查测绘项目，引入无人倾斜摄影测量三维建模技术，阐述了倾斜摄影原理和特点，并以襄阳市某村宅基地测量为案例，详细论述了无人机影像摄影测量的技术流程，通过CASS成果与外业检查点实际检验，验证了房屋界址点和面积的精度，符合本项目的要求，说明了本文提出的技术方法具有可行性。通过项目实践得出以下结论:
1) 与传统测量方式相比，由于无人机倾斜摄影具有 灵活、便携、方便的特点，可以快速地获取作业区实景三 维可视化模型，对大区域农村不懂产测绘项目，可以极大 地减少人工外业作业量，缩短工期。
2) 与传统测量方式相比，利用无人机倾斜摄影测量技术制作的三维实景模型，人工内业即可绘制房屋的轮廓结构，并可实现房屋层数、长度、面积、高度、体积等属性信息的量取，减少了外业房屋巡查和调查的工作量。
3) 与传统测量方式相比，利用无人机倾斜摄影测量 所获得的倾斜影像，可以制作正射影像图外业调查工作地图，辅助外业修补测和指界签字调查工作，基于三维实景模型进行矢量化地籍图和房产图的编辑，改变了外业实测绘图的方式，提高了作业效率。
4) 利用无人机倾斜摄影测量技术，可以根据需要制作DOM、DTM、DSM、DEM、DLG、三维模型，丰富了不动产测绘产品。
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来源：《测绘与空间地理信息》第3期 作者：陈成斌 转自：GIS前沿
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