无人机倾斜测量技术在自然资源一体化建设中的应用——以保定高铁片区为例

骆延青 LUO Yan-qing；韩彦伟 HAN Yan-wei；苏宗跃 SU Zong-yue；郭兴平 GUO Xing-ping；范小青FAN Xiao-qing

（华北地质勘查局五一九大队（河北九华勘查测绘有限责任公司），保定 071000）

0 引言

在我国社会经济快速发展的大背景下，大力推进信息化建设，以促进便民利民为服务目标，围绕提升政府管理能力和促进国家社会经济发展开展大数据、大平台建设。同时国家自然资源相关部门开始进行机构改革[1]，整合包含林业、矿产、水资源与土地资源在内的自然资源空间相关数据，建立全国统一的国土空间基础服务平台。保定市为提升自身政务管理信息化，对接雄安新区建设，在自然资源一体化建设中势在必行。

1 研究概况

1.1 研究区域概况

保定市地处京津冀中心地带，位于我国首都北京南面，是首都的门户，在古代一直有着“京畿南大门”的重要地位。这种特殊的位置使得保定被纳入国家对首都的整体布局规划中，比如在保定的容城县、雄县及安新县区域建设雄安新区。特别是建设雄安新区的历史性决策，同时给保定地区的发展带来了新的机遇。

保定东紧邻雄安新区的白洋淀，在水资源匮乏的华北平原有着得天独厚的优势。同时随着津保铁路、雄忻铁路及京雄城际铁路的修建，保定将进入北京的通勤圈，因此选择保定市高铁片区作为此次研究的试验区。

1.2 研究现状

自2019年自然资源部发布《自然资源部信息化建设总体方案》以来，以“互联网+一张图+一个平台”为主要任务的自然资源信息化综合管理得到了开展[2]。各地区为紧跟国家信息化改革的要求，陆续提出了符合自身现状需求的自然资源信息化建设总体方案，从体系建设目的、框架结构、建设方法、实施期限等进一步明确自然资源一体化建设内容。

2020年南京市[3]在自然资源政务服务系统一体化及数据融合建设中，将相关自然资源数据统一分类为现状资源数据、土地资源管控规划数据、资源管理数据与人文资源数据四大类，其中现状资源数据包括测绘、地理国情、矿产资源等，土地资源管控规划数据包括国土空间规划、用地保护规划、城乡规划及其他详细规划数据等；资源管理数据包括不动产、自然资源确权等数据；人文资源数据包括社会经济及人口等，综合所有相关数据的格式、内容属性、空间属性等各方面差异，重新划分类别，删除重复内容，结合地理实体类别编码，关联所有空间与社会人文数据，实现了自然资源融合建设。

自然资源一体化管理建设的关键为多源数据的采集与整理，随着测绘、电子与计算机技术的快速发展及全国各地城市实景三维建设的实施，倾斜三维航空摄影测量技术无疑已成为目前地理空间资源信息采集的主流方法。根据航空平台是否有人驾驶可以分为有人机与无人机的航空摄影测量，各有优缺点。其中无人机大多为小型飞机，由于体型较小，抗风性小，对现场施工条件要求较大，但可以满足小范围的航测任务，经济性较高；有人机体型较大，抗风性强，可以适应复杂的现场环境，可以满足较大范围的航测任务，费用较高。目前市场上覆盖各种施工环境较高的为大疆创新生产的各种大疆无人机，利用无人机倾斜三维测量技术大大缩短了自然资源相关空间地理信息数据采集的时间。

2 研究内容与方法

2.1 研究方法

本研项目究以目前市场占有率较高的大疆M300无人机结合赛尔102S镜头为倾斜航测原始照片数据采集工具，利用Context Capture实景三维模型处理软件，对研究区域的地理空间信息数据进行研究制作。首先对研究区域进行实地踏勘并规划，按照倾斜摄影测量先关技术规范采集相控点；其次利用大疆M300无人机对研究区域进行外业航拍，获取原始照片数据；然后利用Context Capture实景三维模型处理软件平台将获取的原始照片数据处理生成三维模型与数字表面模型数据；最后利用GlobalMapper对数字表面模型数据进行数据转换与点云分类，制作满足自然资源一体化建设中多源异构数据的内容。

项目研究的主要技术路线如图1。

图1 研究技术路线图

2.2 数据资源结构体系

自然资源相关多源异构数据体系在自然资源管理一体化建设中具有重要的作用。数据体系的构建是自然资源一体化建设的重要基础，其主要包括数据空间参考标准、数据集体系设计两个部分。

2.2.1 数据空间参考标准

①平面坐标系统。

平面坐标系统：2000国家大地坐标系；

投影方式：高斯-克吕格投影，中央子午线：115°30′00″，投影面为参考椭球面。

②高程系统。

高程基准：1985国家高程基准。

2.2.2 数据集体系

保定市高铁片区自然资源一体化建设的数据结构体系主要包含数字线划图（DLG）、数字栅格数据（DRG）、三维影像瓦片数据（OSGB）及社会人文表格数据。本研究主要设计包含矢量数据、栅格影像数据及三维瓦片数据的空间地理信息数据内容，其详细数据内容包含如下：

①数字线划图（DLG）。

数字线划图为地形图的表示形式，是在地形图上重要地理实体单元按对应规范分层存储的矢量数据集。数字线划图包括地理空间特征信息和其他属性特征信息，可为政府相关部门在城乡规划、环境保护、土地管理、经济发展分析等各个方面提供决策依据。

②数字正射影像图（DOM）。

利用航空相片通过空三解算、控制点量算及象元纠正获得的数字正射影像，属于数字栅格图的一种。数字正射影像图具有的信息丰富直观性可以方便非专业人员的使用，从中可直接提取地理实体单元信息和社会经济信息。

③数字高程模型（DEM）。

数字高程模型是以高程表达地面起伏形态的数字栅格数据集，可以作为遥感影像正射纠正的辅助基准数据。

④数字表面模型（DSM）。

数字表面模型是同时包含了地表的建筑桥梁、交通水系、树木植被等所有地表固定地物高度的地面地物高程模型。其既包含了数字高程模型（DEM）的高程信息，又包含了地表实体地物的表面属性信息，被用在多个领域。

⑤实景三维模型（MESH）。

实景三维是客观真实反映现实世界的三维模型，具有单体化、实体化的特点，是对真实世界的三维表达，通过三维模型的方式在电脑上进行数字化展现。通过计算机平台可以模拟展示地理实体在实际地表的情况。

3 数据采集与处理

项目研究过程中，结合项目的施测范围，通过实地踏勘，了解研究区域的野外实际情况，根据倾斜航测相关技术规范制定数据采集方案。选择适当的航测无人机平台，进行野外航片的采集。最后选择数据处理软件利用人机交互的方式，实现实景三维数据的制作。

3.1 硬件设备

综合研究区域的城市实际发展状况，本项目研究选用高性能旋翼平台的一体化高精度航测无人机系统大疆经纬M300多轴旋翼机，相机采用赛尔102s相机。飞行器采取了多路冗余传感器设计，充分保障了外业飞行作业的安全可靠性；同时具备长航时的续航与高效的数据获取能力，保证了航片数据的采集效率。其无人机平台及相机参数见图2、表1。

图2 大疆经纬M300多轴旋翼机

表1 航摄仪参数

3.2 数据外业采集

对项目研究区域范围进行实地踏勘，了解测区的情况行政区域分布，控制点保存情况，地形地貌，房屋分布如房屋密集程度，道路是否通视、楼层高度是否影响飞行安全等，通过对测区的踏勘，了解测区的基本情况，以便布设航线及控制点；同时，为保证地形测量精度，飞行相对高度较低，现场踏勘可以有效地掌握测区情况，保障飞行安全。

根据项目中数据采集精度的要求，在航测数据采集前需对研究区域进行控制点的采集，结合外业踏勘的实地情况，规划像控点的采集位置。结合CH/T 2009-2010《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》、GB/T 7931-2008《1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量外业规范》等规范要求，在测区内间隔300米均匀地进行相片控制点的采集，其像控点应选在相对稳固的地点、内业照片上能准确判读出的特征地物处。

在CH/Z 3005-2010《低空数字航空摄影规范》中1:500比例尺成图所需航片地面平均分辨率为主片不低于5cm，为提升三维模型的纹理细节与精度，本研究中无人机外业采集的相片分辨率为3cm。为保证后期三维模型效果的同时提升解析空三的精度，相机航向重叠度与旁向重叠度分别设置为不低于75%与80%，选择气象条件合适的时间完成测区的原始相片采集。

3.3 数据内业处理

数据的内业处理主要包含前期实景三维数据的制作与后期矢量地形图、数字正射影像与数字高程模型数据的生产。

3.3.1 实景三维数据的制作

本文在实景三维建模过程中利用的是目前市场上利用率较高的ContextCapture软件，其数据处理的自动化程度较高，不需要人工过多的操作即可将外业采集到的照片自动处理，通过解析计算获取覆盖相同区域照片的同名点数据，建立格网，经过照片的纹理映射生成三维模型数据。其主要的技术流程如图3。

图3 倾斜摄影三维建模技术流程

在数据处理前需对无人机外业获取的照片数据进行质量检查，以保证后期建模的顺利进行及模型效果。照片的质量检查包括重叠度、模糊度、光线差异度等内容，对质量较差的照片采取重飞或者利用三方的图片处理软件进行处理。

在ContextCapture软件中新建工程，根据外业的数据采集顺序按照架次批量添加照片数据，对数据的空间信息及架次的相对关系进行初步检查；对导入的照片数据进行自由网的空三计算，软件根据导入的POS信息对照片的方位元素进行计算并生成密集点云；通过导入外业采集的像控点数据对自由网空三数据进行人工刺点，辅助计算机对数据进行绝对空三和平差计算；最后提交模型重建任务，完成实景三维模型的重建。如图4所示。

图4 实景三维模型效果

3.3.2 其他数据的生产

ContextCapture软件为用户提供了多种的数据生产工具，软件可以前期三维模型重建中生成的三维实景模型数据为参考，制作数字表面模型（DSM）与正射影像图（DOM）。数字高程模型（DEM）数据的制作是基于前边数字表面模型（DSM）进行的。利用GlobalMapper软件对DSM数据进行数据转换，将DSM数据转换为点云数据；通过对点云数据进行分类提取，将点云数据中的房屋建筑、植被覆盖及其他地表附着物剔除，建立三维格网；最后生成表示地形情况的数字高程模型数据。

4 自然资源一体化数据成果

将生产得到的三维实景模型、DSM、DOM、DEM、数字线划地形图等数据，通过多源异构数据的转换，并导入自然资源一体化管理平台的数据库，实现多源异构自然资源的一体化管理。其数据导入后的效果如图5。

图5 数据融合后展示效果

5 结束语

本研究通过无人机倾斜航空摄影测量技术完成了研究区域内实景三维模型、数字表面模型、数字正射影像、数字高程模型、数字线划地形图的生产，为保定市高铁片区的自然资源一体化建设中的多源异构数据部分提供了多样的数据类型，满足多源异构数据库建设的需求，相对传统的地形图采集方法，不仅提升了地理空间数据的更新效率，保证了数据的实效性，还丰富了多源异构数据库地理空间信息数据的类型。

无人机倾斜测量技术为保定市高铁片区自然资源一体化建设提供了基础的空间地理信息数据，间接的促进了自然资源一体化建设的发展研究，但自然资源一体化建设中多源异构数据库包含更多的数据内容，为加快自然资源一体化建设，后期应不断研究新的数据采集方法，以满足多源异构数据建库的需求。