村庄地籍调查中轮台1∶1000真正射影像生产及其应用评估

2016-11-11范彬彬杨青山许正鹏

测绘通报 2016年10期

关键词：射影立体村庄

范彬彬，杨青山，包　琦，许正鹏

(1. 巴音郭楞蒙古自治州国土资源勘测规划设计院，新疆库尔勒 841000； 2. 新疆巴州国源测绘规划中心，新疆库尔勒 841000)

村庄地籍调查中轮台1∶1000真正射影像生产及其应用评估

范彬彬1，杨青山1，包琦2，许正鹏2

(1. 巴音郭楞蒙古自治州国土资源勘测规划设计院，新疆库尔勒 841000； 2. 新疆巴州国源测绘规划中心，新疆库尔勒 841000)

以轮台县境内具有村庄地籍调查代表性的哈尔巴格乡喀什贝西村和吾夏克铁热克村为研究区，基于数字表面模型(DSM)，完成真正射纠正，生成真正射影像(TDOM)。生成的真正射影像平面精度可达到0.1 m，优于1∶1000数字线划图点位中误差(0.4 m)的要求；TDOM能够克服遮挡和倾斜问题，建立完全垂直视角的地表景观，使建筑物保持垂直视角，避免房屋对其他地表信息的遮挡，恢复地物的正确方位；将TDOM作为村庄地籍调查的工作底图，直接对其进行地物矢量化，可快速准确地完成数字线划图(DLG)的绘制，省去立体测图的过程，大大降低制图成本，提高工作效率，在村庄地籍调查中具有较高的应用价值。

地籍调查；无人机；真正射

一、概　述

1. 项目背景

为全面、准确地查清宗地利用现状，掌握真实的土地基础数据，建立和完善土地调查、土地统计、土地登记等制度，构建完整统一的土地登记体系和地籍管理信息系统，实现地籍资料动态更新，完善地籍管理制度，需开展村庄地籍调查工作。开展村庄地籍调查首先需要1∶1000比例尺的数字线划图(DLG)作为基础图件，但是目前需要调查的村庄大多没有1∶1000比例尺的DLG。无人机能够快速高效地获取航拍数据，通过对测区进行交叉航线飞行，其航拍数据可用于制作真正射影像(TDOM)[1]。TDOM相对于普通正射影像无需立体测图，可在TDOM上直接勾绘生成DLG[2]。如何通过无人机遥感，快速、高效地获取TDOM，基于TDOM生成村庄地籍调查所需的1∶1000比例尺的DLG是村庄地籍调查能否顺利实现的关键。因此，为明确TDOM制作的可行性，以及TDOM的效率和精度，本文选择轮台县境内哈尔巴格乡的喀什贝西村和吾夏克铁热克村为研究对象，开展无人机村庄地籍调查TDOM制作工作。

2. 项目意义

村庄地籍调查中村庄呈点状分布，采用传统航空摄影测量方法采集数据周期长，无效区域大，成本昂贵，同时增加了内业数据处理的工作量[3]。无人机具有灵活快速的特点，可针对每个村庄分别制订飞行任务，快速提供大比例尺航空影像地籍调查底图，大大节约了人力成本，缩短了调查周期[4]。然而，传统DOM上的建筑物等地物目标存在着明显的倾斜、变形等问题[5]，需要通过立体测图才可生成村庄地籍调查所需要的基础底图DLG[6-8]。TDOM是一种更高级的正射产品。TDOM建立了完全垂直视角的地表景观，建筑物保持垂直视角，在TDOM上，只显示了房屋的顶部，不显示侧面，避免了房屋、树木等高大地物对其他地表信息的遮挡，恢复了地物的正确方位[9-11]。可在TDOM上直接进行地物矢量化，无需立体测图，快速准确地完成DLG的绘制，省去立体测图，大大降低了制图成本，提高了作业效率[12]。本文旨在明确TDOM相对于传统DOM精度可以提高多少；TDOM所获取的DLG是否可用作村庄地籍调查的工作底图；TDOM获取DLG比立体测图方式获取DLG效率能提高多少。以期为无人机真正射技术在村庄地籍调查中的应用起到示范和推广的作用。

3. 项目拟实施的主要范围和内容

1) 项目范围：本次项目实施的范围位于轮台县城西南方向，距离县城约5 km，测区范围为东经84°11′0.95″—84°13′54.73″、北纬41°43′31.37″—41°45′22.49″之间，总面积约50 km2。

2) 项目内容：依据项目区的地理特征和制作TDOM的要求制订航飞计划、执行航飞采集数据、布设精确的控制点和检查点，经内业数据处理完成TDOM制作。

二、作业区自然地理概况

本次项目选择哈尔巴格乡的喀什贝西村和吾夏克铁热克村作为试点项目区，村庄位于平原地带，为农业区，测区整体南北贯通，地势北高南低，较为平坦，测区中央有居民区，房屋多为平房。测区高差较小，海拔最高995 m，最低959 m，平均海拔高度为975 m，地形为平原。

三、制作TDOM的主要技术要求

1. 飞行控制

对于同一区域分别进行横向和纵向的拍摄能够获得区域内地物全方位的信息，航线设计如图1所示，在数据处理时可增强模型内部的连接性和稳定性，提高成图精度。制作TDOM对成图精度的要求很高，因此本次试点项目采用交叉航线的方法制订飞行计划。交叉航线导致飞行任务加倍，需要多个架次才能完成飞行任务，需保证多个架次所携带的航摄仪(照相机)规格参数一致，畸变参数相差较小(<1%)。在执行航飞任务的过程中严格按照《无人机航摄系统技术要求》[13]的要求，控制飞行质量。

图1　架构航线示意图

2. 坐标系

无人机村庄地籍调查轮台试点项目，采用1980西安坐标系。高程系统采用1985国家高程基准。

3. 成图比例尺

TDOM在村庄地籍调查中作为基础地图，要求兼备丰富清晰的纹理信息和准确的地图几何属性，采用1∶1000的大比例尺。

4. 地面分辨率

航拍原片的地面分辨率应满足1∶1000成图比例尺的要求，地面分辨率高于10 cm，兼顾航飞的效率，本次项目航飞原片地面分辨率为8 cm。

5. 分幅与编号及投影方式

1∶1000比例尺采用国家基本比例尺地形图的分幅与编号，采用高斯-克吕格投影。

四、制作TDOM的关键技术方法

1. 空三加密和三维点云生成

使用Pix4dMapper自带功能以自动完成相对定向、影像连接点的匹配。在自动连接点匹配完成后，进入RayCloud模块进行连接点的优化。查看连接点，如果连接点不够，写出空三结果，再次进行连接点匹配，如果连接点足够且分布均匀，进行优化直至各项指标符合要求。空三结果检查合格后进行点云匹配，生成间隔0.3 m的高密度的三维点云，如图2所示。

图2　密集匹配三维点云

2. 数字表面模型(DSM)

TDOM与传统DOM制作的最大差别在于TDOM是基于数字表面模型(DSM)完成正射纠正的，而非DEM。因此DSM制作的过程和质量直接决定了最终TDOM的效果[14]。制作DSM，首先利用交叉航线所获得的大重叠度照片通过多基元多影像匹配法生成初步DSM，其次对初步匹配生成的DSM进行遮挡区域检测；然后对遮挡区域进行分析和纹理修补，进一步恢复建筑物的立体角度[15]；最后对修补好的DSM去噪和平滑，在立体模型下手工精细编辑DSM得到高精度的DSM，如图3所示。

3. TDOM

应用Pix4dMapper，在高精度DSM的基础上，采用数字微分纠正的方法纠正消除了所有视差，建立了完全垂直视角的地表景观。建筑物保持垂直视角，只显示了建筑物的顶部，不显示侧面，避免了高大建筑物对其他地表信息的遮挡，恢复了建筑物的正确方位，生成TDOM。对生成的TDOM中效果不理想的区域进行手工编辑，交叉航线飞行获得了同一地物多角度的拍摄信息，在进行编辑时选取角度好、方向正的原片代替正射影像，使效果不好的区域得到改善。利用匀光匀色模块经过色彩均衡处理后交付用户使用，图幅接边差不大于1 mm，如图4所示。

图3　数字表面模型(DSM)

图4　真数字正射影像(TDOM)

五、TDOM质量检查

本文主要从制作TDOM的精度和直接勾绘生成DLG的效果两个方面讨论基于TDOM村庄地籍调查的适用性。

1. 精度验证

基于TDOM勾绘DLG前，需对其精度进行系统的检验，以确认生成的TDOM质量符合精度要求。在房屋脚点随机布设30个检查点(如图5所示)，用于检验无人机生成的TDOM数据质量(见表1)。

经检验，TDOM检验点平面和高程中误差分别为0.10和0.15 m；100%检验点平面中误差和高程中误差优于《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)中6.1.6和6.1.7条款1∶1000数字线化图点位平面中误差0.4 m，高程中误差0.33 m的要求[16]，质量较好。

2. 遮挡和倾斜分析

对整个试验区域所有航片数据进行倾斜与遮挡监测与处理，可以生成真正射影像(如图6所示)。将它与未进行倾斜与遮挡分析的正射影像(如图7所示)进行比较，可以看出真正射影像中的建筑物倾斜部分已基本消除，每栋房屋的正射投影都位于正确位置，如图中灰度矢量轮廓线所示；此外遮挡区域也被正确监测，并进行了信息补偿。

图5　检查点空间分布

图6　进行了遮挡与倾斜分析的真正射影像局部

图7　未进行遮挡与倾斜分析的正射影像局部面

表1　DSM和TDOM精度验证　m

六、基于TDOM村庄地籍调查可行性分析

图8为基于真正射影像绘成的DLG，图9为DLG叠加真正射影像。真正射影像克服了遮挡和倾斜问题，实现了纹理的优化采样，较好地保持了真正射影像中清晰的房屋轮廓边缘、完整的纹理结构和良好的视觉效果。将所得真正射影像插入CASS软件中，以真正射影像为底图，通过CASS自带的地物符号对其进行矢量化，由于TDOM中建立起完全垂直视角的地表景观，建筑物保持垂直视角，在TDOM上只显示了建筑物的顶部，不显示侧面，避免了房屋、树木倾斜对关键地物造成遮挡，恢复了地物的正确方位，因此关键地物清晰可见，易于将村庄地籍调查中的关键地物(如围墙、道路、房角等)准确地矢量化。将TDOM作为底图，直接对其进行地物矢量化，无需立体测图，快速准确地完成了DLG的绘制，省去了立体测图，大大降低了制图成本，提高了作业效率，具有较好的可行性。

七、结　论

本文选择轮台县境内具有村庄地籍调查广泛代表性的哈尔巴格乡的喀什贝西村和吾夏克铁热克村为研究区，采用交叉航飞的方法采集数据，对DSM遮挡区域进行分析和纹理修补，恢复房屋的立体角度，基于DSM完成真正射纠正，生成TDOM。在完成质量检查的基础上，将所得TDOM作为哈尔巴格乡的喀什贝西村和吾夏克铁热克村村庄地籍的工作底图，绘制DLG，得到如下结论：

1) 制作的TDOM具有较高的精度，平面中误差为0.1 m，高程中误差为0.15 m，优于《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)中6.1.6和6.1.7条款1∶1000数字线划图点位平面中误差0.4 m、高程中误差0.33 m的要求。

2) TDOM能够克服传统正射影像的遮挡和倾斜问题，实现纹理的优化采样，较好地保持了真正射影像中清晰的房屋轮廓边缘、完整的纹理结构和良好的视觉效果，避免房屋、树木倾斜对关键地物造成遮挡，恢复了地物的正确方位。

3) 将TDOM作为村庄地籍调查的工作底图，可直接将关键地物进行准确的矢量化，无需立体测图，能够快速准确地完成DLG的绘制，可大大降低制图成本，提高作业效率，具有较好的应用价值。

图8　基于真正射影像绘成的数字线划图(DLG)

图9　数字线划图(DLG)叠加真正射影像

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