何淼

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

1 前 言

目前很多地方開展了農(nóng)村地籍調(diào)查的工作，外業(yè)測量及調(diào)查工作是重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的作業(yè)方法[1～3]需要大量的外業(yè)測繪人員深入現(xiàn)場長時間操作，其成本高、工作強度大、操作工序復(fù)雜、且耗費工時，亟須新的作業(yè)方法和更先進的測繪技術(shù)來提高作業(yè)效率和減少外業(yè)測量的工作。近期快速發(fā)展的無人機低空攝影測量技術(shù)可針對性解決該問題[4～11]。珠海市測繪院承接了較多農(nóng)村地籍調(diào)查項目，為把握技術(shù)前沿，已在近期幾個項目中采用了無人機低空傾斜攝影測量技術(shù)，并取得較好的實際應(yīng)用效果，對比傳統(tǒng)調(diào)查方式手段效率大大提高。

2 傳統(tǒng)農(nóng)村地籍調(diào)查的方法

解析法和圖解法是目前農(nóng)村地籍調(diào)查的主要方法。簡而言之，解析法就是先數(shù)字化測圖后再調(diào)查，圖解法則是在正射影像圖作為底圖的基礎(chǔ)上展開調(diào)查。兩種方法各有優(yōu)缺，解析法較圖解法精度高，但是工期較長，圖解法精度較低，但工作時間短。方法的選擇需結(jié)合實際作業(yè)地區(qū)的情況，發(fā)達地區(qū)和中心城區(qū)一般使用精度更高的解析法，圖解法因其操作簡單，適合應(yīng)用于邊遠山區(qū)。

2.1 解析法

以滿足農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證工作為出發(fā)點，充分利用已有地籍調(diào)查成果和登記成果，開展宅基地、集體建設(shè)用地和零星國有建設(shè)用地土地權(quán)屬調(diào)查、農(nóng)房調(diào)查和地籍測量，總體技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 解析法農(nóng)村地籍調(diào)查流程圖

2.2 圖解法

以高分影像成果為主要數(shù)據(jù)源，充分利用已有土地調(diào)查、登記和戶籍等資料，通過室內(nèi)采集與調(diào)查、外業(yè)調(diào)查與邊長丈量、內(nèi)業(yè)整理與建庫，多快好省地完成農(nóng)村地籍調(diào)查工作。技術(shù)路線圖如圖2所示。

從以上兩種方法的技術(shù)路線不難看出，解析法對實施單位要求更高，解析法要求實地用GPS、全站儀數(shù)學(xué)化測完圖，形成工作底圖后才能開展調(diào)查，因此需要投入大量的測繪專業(yè)技術(shù)人員為了提高效率，本單位在A地區(qū)和B地區(qū)嘗試使用無人機低空攝影測量方法進行地籍測量工作，以期降低外業(yè)的人員投入和工作效率，突破傳統(tǒng)地籍調(diào)查技術(shù)瓶頸。

圖2 圖解法農(nóng)村地籍調(diào)查流程圖

3 無人機低空傾斜攝影地籍測量

傾斜攝影技術(shù)是測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，打破了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產(chǎn)效率，采用人工建模方式一兩年才能完成的一個中小城市建模工作，通過傾斜攝影建模方式只需要3～5個月時間即可完成，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟代價和時間代價。

以珠海市測繪院承接的農(nóng)村地籍調(diào)查項目為例，A地區(qū)地籍項目需要測量的村莊 1∶500地籍圖面積約為 15 km2，B地區(qū)需要測量的村莊 1∶1 000地籍圖面積約為 30 km2，A地區(qū)的航拍影像需要優(yōu)于 2 cm分辨率的傾斜攝影，B地區(qū)航拍影像需要優(yōu)于 5 cm分辨率的傾斜攝影，并利用傾斜攝影數(shù)據(jù)利用Smart3D等軟件進行實景三維自動建模，然后再用清華山維軟件勾畫地形圖。

3.1 無人機傾斜攝影地籍測量工作流程

如圖3所示，本次實景三維建模的生產(chǎn)制作流程包括：

(1)現(xiàn)場勘察與資料收集：對2個區(qū)域進行現(xiàn)場勘測，尋找合適的起飛地點，對測區(qū)現(xiàn)場的限飛情況與相關(guān)部門進行了解溝通，收集天氣氣象資料，制定合理的飛行時間。

(2)技術(shù)設(shè)計：選擇合適的飛行器，制定飛行路線、區(qū)域，選擇適合的飛行時間，對航線重疊度、航次等重要參數(shù)進行設(shè)計論證，制定合理可行的實施方案和安全方案。

(3)傾斜三維攝影采集：按照技術(shù)設(shè)計現(xiàn)場進行航測飛行數(shù)據(jù)采集工作。

(4)實景三維建模處理：利用Smart3D、Altizure等專業(yè)軟件對傾斜攝影采集的數(shù)據(jù)進行處理，自動生成實景三維模型。

(5)利用清華山維或者南方idata等軟件在三維模型上勾畫地形圖。

(6)內(nèi)業(yè)質(zhì)檢、外業(yè)查漏補缺。

圖3 工作流程

3.2 無人機傾斜攝影技術(shù)硬件簡介

無人機攝影設(shè)備、無人機傾斜攝影系統(tǒng)分別如圖4、圖5所示。

圖4 無人機攝影設(shè)備

(1)傾斜相機：它通常情況采用5個方位進行數(shù)據(jù)采集，分為正攝、前視、后視、左視、右視。

圖5 無人機傾斜攝影系統(tǒng)

(2)飛行器：

無人機傾斜攝影主要以固定翼、旋翼為主流。

①固定翼：一般以電動、油動為主要動力源，優(yōu)點：續(xù)航時間長、效率高。不足：由于固定翼航速較快配合的相機曝光間隔時間要求高，其次由于有安全航高的限制、載重的限制通常能夠獲取的影像地面分辨率在 8 cm以上。面對測繪行業(yè)對精度要求不斷提高，受眾面變窄。

②旋翼機：一般有三、四、六、八旋翼。

優(yōu)點：可懸停、易操作、安全性高，可以根據(jù)測區(qū)情況進行不同高度的飛行作業(yè)，使獲取的影像地面分辨率達到 1 cm以下?，F(xiàn)階段采用八軸飛機為主流，其原因是八軸飛機可以支持斷槳保護，在失去一個機臂時可正常飛行，在失去不相鄰的兩個機臂時仍然可以安全回收。在飛控的選擇上作為航測用途的多選擇雙控制器，原因是無人機傾斜攝影在市區(qū)作業(yè)較多，安全的保障是第一位的。不足：續(xù)航時間有限，一般的無人機傾斜攝影相機重量在 2 kg～5 kg，續(xù)航在 30 min左右。

本項目使用的是對電池改裝容量加大了的旋翼機。

3.3 無人機傾斜攝影測量數(shù)據(jù)采集

制定計劃后，在天氣條件合適的情況下，組織人員設(shè)備進行了外業(yè)無人機傾斜攝影采集，根據(jù)現(xiàn)場條件不同，飛行高度在 100 m～200 m之間，航線設(shè)計符合相關(guān)技術(shù)要求，傾斜攝影的航線設(shè)計采用專用航線設(shè)計軟件進行設(shè)計，其相對航高、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關(guān)系。本次要生產(chǎn)自動化模型，旁向重疊度需要達66%以上，航向重疊度也需要達到66%以上。航線設(shè)計軟件生成一個飛行計劃文件，該文件包含飛機的航線坐標及各個相機的曝光點坐標位置。實際飛行中，各個相機根據(jù)對應(yīng)的曝光點坐標自動進行曝光拍攝。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)三維建模

數(shù)據(jù)獲取完成后，首先要對獲取的影像進行質(zhì)量檢查，對不合格的區(qū)域進行補飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求，其次進行勻光勻色處理，在飛行過程中存在時間和空間上的差異，影像之間會存在色偏，這就需要進行勻光勻色處理，再次進行幾何校正、同名點匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，最后將平差后的數(shù)據(jù)(3個坐標信息及3個方向角信息)賦予每張傾斜影像，使得它們具有在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，至此傾斜影像即可進行實時量測，每張斜片上的每個像素對應(yīng)真實的地理坐標位置。內(nèi)業(yè)處理采用Smart 3D作為數(shù)據(jù)處理軟件，Smart 3D能夠以一組對靜態(tài)建模主體從不同的角度拍攝的數(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，加入各種可選的額外輔助數(shù)據(jù)：攝像頭的屬性(焦距、傳感器尺寸、主點、鏡頭失真)，照片的位置(如GPS)，旋轉(zhuǎn)照片(如INS)，控制點等信息，無須人工干預(yù)，即能輸出高分辨率的帶有真實紋理的三角網(wǎng)格模型，生成輸出的三維網(wǎng)格模型能夠準確精細地表現(xiàn)出建模主體的真實色澤、幾何形態(tài)及細節(jié)構(gòu)成，從而完成傾斜攝影數(shù)據(jù)到三維模型的過程。圖像到三維模型建立流程如圖6所示。

圖6 圖像到三維模型建立流程

4 總 結(jié)

兩人一組的外業(yè)測量小組采用常規(guī)的測量方法，每個月的作業(yè)量在 0.2 km2左右，若使用無人機低空傾斜攝影測量技術(shù)，一個外業(yè)組一天的航拍面積就可達 5 km2，外業(yè)效率提高了數(shù)百倍。將無人機低空傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于實際地籍測量項目中取得了極好的效果，該方法大大提高了工作人員的外業(yè)效率，有廣闊的應(yīng)用推廣前景。