基于倾斜摄影测量的石林站铁路沿线三维实景模型构建应用

罗为东,甘淑,2,袁希平，张昊

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2．云南省高校高原山地空间信息测绘技术应用工程研究中心，昆明 650093；3.滇西应用技术大学，大理 671000；4.云南优化房地产土地资产评估咨询有限公司，昆明 650093)

近几年，随着不动产登记制度的出台，不动产测绘是测绘部门乃至国土部门的一项重要工作，传统测绘工作人工成本较高，耗费时间较多[1]。采用摄影测量技术可以极大改善工作效率，但传统航空摄影通常只能从垂直角度拍摄地物，而倾斜摄影(Oblique photography)则搭载多台传感器，可同时从不同的角度采集影像，能够有效弥补传统航空摄影的局限。目前，由于倾斜摄影测量技术采集数据便捷、成本较低，应用较为广泛。特别地，倾斜摄影测量可以快速获取实景三维模型[2]，成果具有现实感逼真、纹理清晰等优点。丁伟[3]等用无人机倾斜摄影测量技术获取农村不动产权籍调查的工作底图，并在此基础上获取界址点、界址线等不动产登记的关键信息，结果表明在满足不动产权籍调查的精度要求的基础上工作效率相对于传统方法有所提升；杨亚彬[4]等在肇庆市端州区应用无人机倾斜摄影测量技术测绘1∶500地形图，结果表明快速、便捷解决了不动产登记所需的地形图；刘敏[5]等把无人机倾斜摄影技术应用于农村房屋不动产登记权籍调查中，既减少了外业实地丈量的工作量，又克服了不通视房屋拐点量边的困难；邓清军[7]等总结无人机倾斜摄影测量的工作原理、技术优势，并在定远县结合不动产应用项目进行生产试验和精度检查，结果表明该技术在实际应用中的可行性和优势；闻永俊[6]在兴华市应用倾斜摄影测量在不动产测绘中对具体项目进行技术参数设置，并从实践上证明该技术的可行性。本实验基于无人机倾斜摄影技术可以构建实景三维模型的技术特点，尝试研究该技术在石林站铁路沿线有关两权项目实施中遇到的现场测绘与成果核实数据困难等问题的技术解决方案。

1 实验区概况

石林彝族自治县，隶属于云南省昆明市，位于云南省东部，东、南部与红河哈尼族彝族自治州接壤，北与曲靖市相邻，西、北部与宜良县毗连。石林站位于中国云南省昆明市石林彝族自治县如图1所示，是隶属于中国铁路昆明局集团有限公司管辖的四等站。测区面积有0.15 km2，主要途径线路为南昆铁路，建于1997年。

图1 石林站略图

2 倾斜摄影及其影像处理

2.1 无人机设备平台

石林铁路沿线海拔在1 700～1 950 m，测区高海拔要素和复杂地形对实地测量工作带来一定困难，再考虑铁路运营火车，对稳定、高效作业带来一定困难。应用六旋翼无人机，具备4级风力气象条件下安全飞行能力作为勘测作业平台。倾斜相机采用五拼镜头倾斜相机，实现高精度影像数据获取。表1为无人机平台、倾斜相机参数。

表1 石林站铁路沿线平台及相机参数

2.2 数据采集

在高原区铁路沿线无人机采集数据，特殊地理环境需提前准备测区基础地理信息数据，重点了解测区地形高差、过往运行火车等影响飞行的因素，针对设计航线。在该区域进行倾斜摄影测量，同时还需进行包括：分辨率、相对行高计算、现场质量检查、差分GPS 结算。航拍在实施过程中主要包括架设地面基站、飞行平台系统调试、风力风向测试、信号频率强度测试等。在《低空数字航空摄影规范》(CH /Z 3005-2010)中，对像片倾角有着如下规定：倾角满足[5°，12°]区间。使用无人机搭载多传感器，充分发挥无人机倾斜摄影测量技术的优势。对测区地物地貌采集1个垂直方向和4个倾斜方向的高分辨率影像数据，五镜头无人机航线按照传统路线飞行两架次，相对航高为170 m，航向重叠和旁向重叠均为80%。

2.3 像控点布设

高海拔地区为无人机倾斜摄影带来了一定的困难，目前虽已有免像控无人机，例如大疆M300RTK、拓普康天狼星等。但在高海拔地区使用免像控无人机，在后续使用Context Capture Master等软件生成模型时易出现分层和模糊现象，外业工作仍需布设像片控制点。像控点的目标影像应清晰，且易于量测的地方。例如：选择在易辨识独立地物、道路交点或者拐点、房屋角隅等。控制点标志，选择白色( 或者红色) 油漆画“╂”字形标志。在航摄前，试飞几张影像，确保像控标志能在倾斜影像上清晰辨识。传统布设像控点方案有：(1)测区周围均匀布设；(2)规则航线、基线间隔布设；(3)五点法分布设。本次参考李丹[11]所使用的控制点布设方法来布设像控点并一同布设检查点，布设如图2所示。

图2 像控布设略图

基础控制测量方法按照JTG/T C10相关规定执行。控制点测量完成后制作点位分布略图、点位信息表。准确描述每个控制点的方位和位置信息，以便后续内业刺点使用。像控点数据局部由表2所示。

表2 局部像控点数据

2.4 模型构建

参考顾广杰[13]提出方法对测回数据通过Context Capture Master、Pix4D、ModelFun等软件进行内业处理。使用Bentley公司的Context Capture Master软件对30 051张影像进行处理。在完成像对预处理后自动空中三角测量，通过少量野外控制点在室内进行加密。通过两台计算机安装相同版本的软件通过集群的方式提升影像处理速度。具体流程为在已有家庭组的基础上，A主机通过映射磁盘及更改Context Capture Settings路径，B副机的Settings路径改为与A主机一致。A、B计算机均是64位操作系统，RAM分别为128GB、64GB。在集群处理数据时，为避免内存不足或生成模型太耗费时间等问题，在切块时按照副机配置设置切块大小。三维实景模型生成具体流程如图3。为节省时间生成通用OSGB格式，后续转为s3c格式查看建模，成果如图4(a)和图4(b)所示。

图3 三维模型制作流程

图4 (a、b)实景建模成果

3 铁路沿线模型应用不动产登记及质检

3.1 模型应用不动产登记

为建立、建全石林站铁路沿线土地产权管理制度，开展土地确权工作。依据倾斜摄影获取三维影像，查清石林站铁路沿线集体所有的建设用地、农用地及未利用地。完成精准地形数据，便于进行不动产调查工作、查清石林站铁路沿线土地权属、界址、面积和利用状况。具体应用包含：(1)扩展平台数据，制作不动产3D模型；(2)应用倾斜摄影生产数字正射影像图(Digital Orthophoto Map：DOM)制作外业调绘地图；(3)生成宗地图、分层分户图等相关不动产图；(4)提高指界效率，帮助外业补测。

3.2 地籍图精度质检

由于在建模前对像控点的空间坐标进行了匹配，得到的是具有真实空间位置的虚拟三维模型，根据权籍调查测量要求，建立测区的地籍基础信息，应用EPS三维测图软件加载三维实景模型，裸眼绘制数字线化图(Digital Line Graphic：DLG)，绘制单体房屋如图5所示，整个实验区生产出1∶500二维矢量地籍图，如图6所示。把倾斜摄影测量和三维模型的技术应用于石林站铁路沿线不动产登记，利用房屋分层分户数据，获取分层分户的楼房模型，连接不动产登记信息，关联户型图、地籍图等资料，把三维空间信息真实呈现在不动产信息中，通过三维不动产模型可以查看三维数据，四至清晰、产权明确，解决了外业调查指界耗时费力、界址边丈量人为误差大等问题。

图5 单体房屋绘制

图6 DLG成果

对生产DLG进行精度检核，检验包括：点位精度和边长检测。在石林站铁路沿线三维模型数据上随机抽取10个点与实测数据进行精度对比，同时抽取10条不同位置和方位的边长与实测数据进行精度对比，对比结果如表3所示。依据检查点统计表计算知高程中误差为±0.12 m、平均点位中误差±0.038 m精度满足不动产权籍调查测量5 cm精度要求。

表3 点位精度对比

4 结语

针对不动产登记发证工作处理流程，前期不动产测量工作占比较重。传统测量技术耗工费时已经满足不了不动产测量工作中时间紧、任务重、低成本的实际生产需求。近年来，倾斜摄影测量技术的普及应用推动了不动产测绘的高效发展，提高工作效率的同时大幅度节约了工作成本。鉴于倾斜摄影测量的技术优势，本文以云南省昆明市石林彝族自治县的石林站及铁路沿线为试验研究对象，在试验区克服地形复杂和运营火车采集影像数据，通过软件平台构建测区实景三维模型，最后对三维场景模型的数据成果进行模型精度评定。通过试验结果分析表明:模型高程中误差为±0.12 m、平均点位中误差±0.038 m，由规范知1∶500地籍图展点误差不超0.05 m，倾斜摄影测量成果精度可以满足不动产权地籍调查的5 cm精度要求。在不影响铁路正常运行的同时高精度、高效完成外业数据采集且内业成果制作较快提高了不动产登记发证工作效率。