基于倾斜摄影测量技术测绘地籍图的可行性研究

李 威，李国柱



基于倾斜摄影测量技术测绘地籍图的可行性研究

李 威，李国柱

（昆明理工大学，国土资源工程学院，云南 昆明 650000）

针对传统地籍测量程序繁琐、工作强度大、对精度要求较高，需要投入大量生产成本。提出了倾斜摄影测量技术能够利用无人机实现交叉航线飞行，从各个角度获取建筑物的纹理信息，高效的获取特定测区；即高差起伏不大、房屋结构多为砖混的航拍数据。依据生产的实景三维模型，利用山维科技公司的EPS地理信息工作站的裸眼测图功能绘制地籍图，最后使用高精度三维激光点云进行试验对比，对成果进行精度验证，中误差达到0.029 m，精度较高。基于倾斜摄影测量技术可以用于特定测区的地籍图测量。

倾斜摄影测量；地籍测量；三维实景建模；三维激光扫描

0 引言

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维实景模型[17]。

随着倾斜摄影技术的发展，该技术已经运用于各个领域（特别是测绘领域的运用），它突破了传统测量必须依靠测量技术员到实地进行手工测量作业的局限。在地籍运用方面；范彬彬等人使用该技术生产1∶1000真正射影像（TDOM）进行村庄地籍调查[4]；买小真等人探讨了真正射影像制作的关键技术[8]；ArminG, Wang对拓扑生成技术在三维建模中的运用进行深入的探讨[6]。因此研究倾斜摄影测量技术在地籍图测绘中的可行性对地籍测绘的发展具有重要意义。

1 实验区概况

本文以云南省西双版纳景洪市大渡岗乡大渡岗农场第十二生产小组为实验区。该生产小组位于东经100°57¢08.62²-100°57¢14.85²，北纬22°20¢20.07²-22°20¢18.86²。面积约11010.4平方米。该测区位于山坡上，虽热四周地势复杂，但是居民地所处位置地势较为平坦，处于近似于同一海拔高度，地面硬化程度高，房屋建筑多为砖混结构，高差不大且周围有一定的树木遮挡具有一定代表性，若该测区精度能够满足地籍测量精度要求则在城市地籍测量中具有重要推广意义。测区概况卫星影像图如图1所示。

图1 测区概况卫星影像图

2 实验区任务设置

2.1 测区航线布设

根据无人机航飞的具体任务和要求以及按照低空数字航空摄影规范的相关规定对航线进行设置，以保证无人机按照设定的航线进行作业。航线的设定应该包含航高的设置、相片重叠度的设置。其航高计算公式如（1）所示：

其中H为飞机飞行航高，f为镜头焦距，GSD为影像地面分辨率，a为像元尺寸。根据规范一般像片重叠应该满足以下要求：航向重叠度在通常情况下应该为60%-80%，但是不得小于53%；旁向重叠度在通常情况下应该为15%-60%，但是不得小于 8%。根据要求以及考虑到地籍测量的高精度要求设置像片地面分辨率为3CM，航高为108M，旁向重叠度80%，航向重叠度85%。航线设计如图2所示。

图2 测区航线布设图

Fig.2 Survey route layout

2.2 测区像片控制点的布设

根据地形图航空摄影测量规范，像片控制点的布设应满足下列条件。

（a）像片控制点的目标影像应该清晰，易于判别；

（b）布设的控制点宜能公用，一般布设在航向及旁向六片或五片重叠范围内；

（c）控制点距像片边缘不应小于1 cm（18 cm´18 cm像幅）或1.5 cm（23 cm´23 cm像幅），综合法成图的控制点距航向边缘不应小于上述规定的1/2；

（d）控制点距像片的各类标志大于1 mm；

（e）控制点应选在旁向重叠中线附近，离开方位线的距离应大于3 cm（18 cm´18 cm像幅）或4.5 cm（23 cm´23 cm像幅）；当旁向重叠过大，不能满足要求时，应分别布点；旁向重叠较小使相邻航线的点不能公用时可分别布点，此时控制范围所裂开的垂直距离一般应小于1 cm，困难时不应大于2 cm；

（f）位于自由图边，待成图边以及其他方法成图的图边控制点，应布设在图廓线外。

根据以上要求及测区特点选择航线网布点法，保证按航线每分段布设六个平高点；航线首末端上下两控制点布设在通过像主点且垂直于方位线的直线上；航线中间两控制点布设在首末控制点的中线上。考虑到测区内不易于找到满足上述要求的像片控制点，特制作能够代替具有特征地物特征易于识别的像控标靶纸，规格为1 m´1 m；如图3所示。除满足上述航线网布点法要求外为了保证成图精度，在网中趋向不稳定部位布设两个加密点。测区像片控制点布设如图4所示。

图3 像控标靶纸

图4 像片控制点布设图

3 倾斜三维模型的制作

倾斜摄影技术即在飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集建筑物的纹理信息。利用CC（ContextCapture）建模软件将照片建模，这些照片导入到建模软件中，通过计算机图形计算，结合pos信息空三处理，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。区域整体三维建模方法技术路线图如图5所示。

图5 区域三维建模方法技术路线图

本文选用Bently公司的ContextCapture（Smart3D）它是一套无需人工干预，通过影像自动生成高分辨率的三维模型的软件解决方案。使用软件生成的实验区倾斜三维模型如图6所示。

4 根据倾斜三维模型进行地籍图的绘制

本文采用山维科技公司的EPS地理信息工作站的裸眼测图模块来进行地籍图的绘制，该软件不仅实现对象级自由映射，更能够实现对象内部无任何细节信息无需编程即可直接映射到目标系统，无缝接轨，无损转换。目前可与国内外常用数据格式所生成的图形属性数据进行双向转换。裸眼测图即根据三维模型，真实还原实地三维场景，直接实现三维测图内业完成无需外业人员到实地测量，极大的降低了成本投入和外业工作量。内业人员根据真正摄影像（TDOM）、倾斜三维模型便可绘制实验区地籍图。绘制的地籍图如图7所示。

图6 实验区倾斜三维模型

图7 裸眼测图绘制的实验区地籍图

图7中以中间分割线隔开，左边为真正摄影像(TDOM)；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[4]。右边为倾斜三维模型；真实还原实地场景，建筑物四周纹理形状都能看到，绘制的地籍图可以真实反映实地建筑物的外部特征。两种模式结合极大的保证了地籍图的真实性和精度。

5 实验对比

三维激光扫描技术的高精度特性可以很好的用来作为对比实验。而车载的方式突破了传统的需要设站的作业方式，提高了作业效率。车载的方式在规划好了测量路线以后能够一次性完成整个测区的测量，结合基准站获取的GNSS信息进行后差分处理，精度可以达到3~5 cm。精度完全能够满足地籍测量的标准规范要求。其作业流程如图8所示，设备整体外观如图9所示。

图8 作业流程图

图9 设备整体外观图

外业采集结束后导出点云数据、基站数据、特征点采集数据，进行IE解算、数据质量检查、数据融合、特征点检查及精度验证。数据质量通过后导出HLZ格式数据，导入HDmapper软件内业绘制地籍图。采集后经过处理的点云如图10所示。其中左边为初始处理的点云，右边为点云去噪，抽稀后的结果。

图10 初期处理后的点云及去噪抽稀后的点云

处理后的点云根据外部点云轮廓绘制地籍图，其绘制的地籍图如11所示。

图11 根据点云绘制地籍图

三维激光实际上是一种实景复制技术，能够以点云的形式快速还原测区的原貌，其静态基站后差分技术能够使测量精度达到3-5 cm。跟无人机倾斜摄影测量生产的地籍图做很好的精度比较，本文的目的意在探究倾斜摄影测量在地籍测量中的可行性，高精度车载移动三维激光扫描技术只作为一种试验对比手段，其高昂的硬件及软件售价限制了其市场推广的普遍使用性。无人机技术及机载传感器目前技术已趋于成熟，成本适中，市场接受度比较高。

6 精度验证

对根据前期倾斜三维模型生产的地籍图跟车载移动三维激光扫描绘制的地籍图进行叠加比对，验证倾斜摄影测量在地籍测量中的运用的精度能否达到地籍测量的精度要求，为了保证精度的准确性及可靠性，同时也使用RTK对测区内的特征点进行了打点检查。其叠加的结果如图12所示，打点检查精度验证如表1所示。

图12 倾斜三维模型地籍图跟三维激光扫描地籍图叠加对比

表1 打点检查精度验证

Tab.1 Checking accuracy verification

经过倾斜模型勾绘的线画图，在测区内进行特征点打点检查，以确认成图精度满足成果要求。经检验线画图精度平面中误差为0.029 m，优于《城市测量规范》（CJJ/T 8—2011）中10.3.2条款的地籍测量平面中误差0.05 m的要求[13]，质量较好。

7 倾斜摄影测量代替特定测区地籍测量的可行性分析

目前对无人机倾斜摄影测量在地籍测量中的运用，对于生产规范没有明确的规定，本文只能参照《城市测量规范》（CJJ/T 8—2011）中的相关规定来进行质量把控和精度验证，精度验证结果表明在该测区；地形高差起伏不大，房屋结构主要为砖混结构的特定区域，其平面中误差达到0.029 m。表明倾斜摄影测量在特定测区能够达到很好的测量精度。后期又选了复杂区域进行试验，发现在地形复杂高差起伏较大，房屋建筑结构为土木结构的精度没有达到预期要求，难以用来作为地籍测量的代替手段。但也总结出；像片的地面分辨率和像片质量、镜头畸变、像片外方位元素的计算精度、内业制图人员的经验；等都影响着倾斜摄影测量的精度，为以后的研究和生产提供相应的参考。

8 结语

倾斜摄影测量能够从四个角度拍到建筑物的纹理信息，经过后处理生成的三维模型能够真实逼真的还原实地场景，经过内业勾画出来的线画图经过精度验证也能够满足地籍图的要求。但是由于本文选取的试验区属于比较理想的地形，地形比较平整，房屋建筑比较规整，都是属于砖混结构，在复杂地形精度会有所欠缺。本文对新兴技术进行大胆的实验探究，相信随着以后技术的发展，如差分技术。在复杂地形的条件下相信精度也能达到规范要求。

综上，通过总结存在的误差传播因素，地形因素影响。无人机倾斜摄影测量虽然难以满足在各种地形中的测量精度，但是随着以后后差分技术的运用或者对于一些特定区域，地形理想、房屋建筑结构统一能够满足测图精度的区域使用倾斜摄影测量技术进行地籍图、地形图的生产大大降低了制图成本，提高作业效率，具备很好的运用价值。

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Feasibility Study on Surveying and Mapping Cadastral Map Based on Tilt Photogrammetry

LI Wei, LI Guo-zhu

(Kunming University of Science and Technology,Faculty of Land Resources Engineering,Kunming 650000, China)

In view of the cumbersome traditional cadastral measurement procedures, high work intensity and high precision requirements, a large amount of production cost is required. It is proposed that the tilt photogrammetry technology can realize the cross-route flight by using the drone, obtain the texture information of the building from various angles, and efficiently acquire the specific survey area; that is, the aerial data with little fluctuation of the height difference and the brick structure of the house. According to the real-life 3D model of production, the cadastral map is drawn by the naked eye mapping function of the EPS Geographic Information Workstation of Shanwei Technology Co., Ltd. Finally, the high-precision 3D laser point cloud is used for experiment comparison, and the accuracy of the results is verified. The error is 0.029 m. High precision. A cadastral map measurement based on tilt photogrammetry techniques that can be used for a particular survey area.

Tilt photogrammetry; Cadastral survey; 3D real-world modeling; 3D laser scanning

P271

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.041

李威(1993-)，男，研究生，主要研究方向：摄影测量与遥感。

李威，李国柱. 基于倾斜摄影测量技术测绘地籍图的可行性研究[J]. 软件，2018，39（12）：181-186