傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)村不動產(chǎn)測繪項(xiàng)目中的應(yīng)用及精度分析
——以南京市江寧區(qū)為例

方 青 周 飛

（1.南京市規(guī)劃和自然資源局江寧分局，江蘇 南京 211100；2.江蘇蘇地仁合土地房地產(chǎn)資產(chǎn)評估測繪造價咨詢有限公司，江蘇 南京 210005）

0.引言

南京市江寧區(qū)房地一體權(quán)籍調(diào)查項(xiàng)目體量大、時間緊、任務(wù)重，依靠傳統(tǒng)測量手段已不能滿足項(xiàng)目的需要。因此，采用高效率、低成本的傾斜攝影測量是最為有效、可行度高的技術(shù)方法。

一般測量方法包括全站儀數(shù)字采集和傳統(tǒng)攝影測量。傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)多采用單鏡頭垂直影像采集，由于無法對屋檐長度進(jìn)行有效改正，需到實(shí)地勘丈，浪費(fèi)人力物力。傾斜攝影測量相比于傳統(tǒng)垂直攝影測量優(yōu)勢明顯。主要優(yōu)勢如下：

（1）免受地物遮擋的影響，在地物上層空間幾乎無死角獲取影像；

（2）獲取的影像紋理更為清晰；

（3）多角度重疊區(qū)域的影像更為豐富，用于交會的同名光線數(shù)量更多，有利于提高三維模型的精度。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可方便靈活地通過垂直、前、后、左、右五個鏡頭獲取地物的表征三維影像特征。在飛行拍攝過程中，由航飛系統(tǒng)自動記錄拍攝瞬間的航高、航速、飛行姿態(tài)、坐標(biāo)等信息[3]?；谌S模型的重建技術(shù)，將獲取的多張像片進(jìn)行拼接整合，生產(chǎn)出可進(jìn)行測量的三維模型。數(shù)字采集具有高效性，無需佩戴立體采集設(shè)備作業(yè)。以三維模型為基礎(chǔ)，可快速生產(chǎn)出DLG、DOM、DSM等數(shù)字產(chǎn)品，質(zhì)量可靠。

在一個時段內(nèi)，多鏡頭采集的影像數(shù)據(jù)更豐富，對三維模型修飾時，可選擇最清晰的一張像片進(jìn)行紋理上的加工處理，增強(qiáng)視覺效果。有開發(fā)的平臺已實(shí)現(xiàn)將傾斜攝影測量獲得的影像數(shù)據(jù)嵌入地理信息和屬性信息，方便用戶查找搜索所需的信息。

1.無人機(jī)傾斜攝影測量實(shí)施方案

江寧區(qū)地勢復(fù)雜，屬于江南丘陵地，村落呈團(tuán)狀分布，隱蔽處較多。根據(jù)江寧區(qū)農(nóng)房的分布特點(diǎn)，按85%航向重疊度、75%旁向重疊度的標(biāo)準(zhǔn)飛行獲取數(shù)據(jù)，每個架次外擴(kuò)8條航線（上下各4條），每條航線外擴(kuò)7條基線，以此保證航攝區(qū)域無漏洞且有足夠外擴(kuò)的空間。

1.1 技術(shù)實(shí)施路線圖

為確保技術(shù)路線的順利實(shí)施，理順每個作業(yè)環(huán)節(jié)的流程，明確作業(yè)的具體事項(xiàng)，確定無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)路線圖（如圖1所示）：

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)路線圖

1.2 準(zhǔn)備航測、預(yù)設(shè)技術(shù)指標(biāo)

無人機(jī)相對飛行高度控制在85m以下，地面分辨率優(yōu)于1.5cm。航攝時間要求太陽高度角大于25o，陰影倍數(shù)小于2.1倍。機(jī)載GPS解算的定位信息要求PDOP小于3，傾斜角小于等于15°，航線飛行比較平直，航線彎曲度在1%以內(nèi)，旋偏角小于25°，航高差不大于1m[2]。飛行結(jié)束后及時下載影像數(shù)據(jù)、飛行記錄數(shù)據(jù)等文件，檢查數(shù)據(jù)的完整性和質(zhì)量狀況，且保證POS數(shù)據(jù)數(shù)目與影像數(shù)目一一對應(yīng)。

1.3 像控點(diǎn)測量

農(nóng)村不動產(chǎn)權(quán)籍測繪成圖對高程無要求，但無人機(jī)航飛的像控點(diǎn)必須保證密度、平面位置、高程的精度。因此，像控點(diǎn)根據(jù)江寧區(qū)下轄自然村的實(shí)際道路情況、村莊大小進(jìn)行布設(shè)。像控點(diǎn)的坐標(biāo)高程信息使用NJCORS系統(tǒng)采集，保證平面與高程精度。像控點(diǎn)坐標(biāo)分兩組采集，凡平面位置差值大于2cm或高程差值大于3cm的點(diǎn)位均核實(shí)重測。在地物密集區(qū)域內(nèi)，像控點(diǎn)平均間距約為100m。

1.4 傾斜攝影測量

利用差分定位技術(shù)將安裝在攝影平臺上的GNSS接收機(jī)采集的點(diǎn)位坐標(biāo)與區(qū)域周邊的多個地面基準(zhǔn)站的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，確定平臺接收機(jī)相位中心的坐標(biāo)[1]。再結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)的幾何參數(shù)（內(nèi)方位元素）、三個姿態(tài)角確定攝影中心的空間坐標(biāo)。其中每張航攝像片的姿態(tài)參數(shù)可通過三維旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算獲得。

完成內(nèi)定向、相對定向后，引入像控點(diǎn)進(jìn)行絕對定向的計(jì)算。由于像控點(diǎn)分布較少，必須進(jìn)行空中三角測量。空中三角測量計(jì)算程序會產(chǎn)生大量的連接點(diǎn)，此時需人工干預(yù)，檢查整體點(diǎn)位的質(zhì)量，主要是查看連接點(diǎn)的密度與精度，若大量點(diǎn)位不符合要求，則修改參數(shù)重新生成連接點(diǎn)，直到連接點(diǎn)基本滿足要求后，再剔除少量超限點(diǎn)，并滿足點(diǎn)位的密度。其中連接點(diǎn)的平面中誤差應(yīng)低于0.3個像素單位，平面最大誤差應(yīng)低于2.5個像素單位?？杖鞒掏瓿珊螅瑢τ跓o法通過軟件自動匹配形成的部分連接點(diǎn)，可在調(diào)整完連接點(diǎn)之后手動加入。若連接點(diǎn)不處于模型關(guān)鍵區(qū)域，不影響項(xiàng)目成果的精度，可適當(dāng)刪除連接點(diǎn)。

傾斜攝影測量系統(tǒng)的時間同步不僅涉及各傳感器的鏡頭間，還涉及定位定姿設(shè)備與獲取影像設(shè)備間。為滿足GPS鐘與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的時間同步，起飛之前，必須對POS系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

1.5 三維建模

獲取航飛影像后，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光處理和鏡頭畸變處理。經(jīng)空三解算后，利用配套的軟件生產(chǎn)三維模型。融合攝影測量學(xué)、圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)成像等技術(shù)，將不同比例、不同分辨率的影像經(jīng)過DSM點(diǎn)云生成、構(gòu)建TIN、紋理映射，生成帶紋理外觀的三維模型。對于外觀處于陰影部分或拍攝不清晰的模型外觀應(yīng)人工剔除，選擇紋理清晰、層次分明的表層做外觀處理。模型采用分層顯示技術(shù)，由于低空飛行，地面分辨率最優(yōu)可達(dá)1.2cm，能夠詳細(xì)表達(dá)地物細(xì)部特征。三維模型截圖中已包含二維線劃圖（如圖2所示）：

圖2 三維模型與二維線劃圖

1.6 人工采集，生產(chǎn)DLG

依據(jù)權(quán)籍要素采集的范圍和種類，在三維模型上分類采集所需的各類要素，形成初步的地籍地形圖。設(shè)定合適房屋的高程面采集房屋等單一建構(gòu)筑物，當(dāng)層次、拐點(diǎn)無法判別時，內(nèi)業(yè)人員做標(biāo)記進(jìn)行外業(yè)核實(shí)。采集房屋邊長要素時，若只采集點(diǎn)位，以點(diǎn)構(gòu)線，則點(diǎn)位偏差與相對邊長誤差極大，不能滿足精度要求。后文將對精度進(jìn)行分析。

1.7 外業(yè)補(bǔ)測，堪丈核實(shí)

傾斜攝影測量這一技術(shù)生成的模型精度已大為提高，測量方法也節(jié)約了大量人力。但江寧區(qū)個別區(qū)域農(nóng)村房屋構(gòu)造較復(fù)雜、遮擋較多，為保證測量精度，內(nèi)業(yè)做標(biāo)記處采用外業(yè)的方法人工核實(shí)。

2.精度分析

2.1 像控點(diǎn)數(shù)量對精度影響

選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域（如圖3所示），此區(qū)域位于江寧區(qū)淳化街道某自然村，該自然村共布設(shè)了17個像控點(diǎn)，像控點(diǎn)間距約為100m，布設(shè)地點(diǎn)合理，密度均勻。實(shí)驗(yàn)區(qū)域按密度分別抽取9個像控點(diǎn)與13個像控點(diǎn)，抽取的像控點(diǎn)可組成控制網(wǎng)。抽取分組的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位名稱（如表1所示）:

圖3 像控點(diǎn)布設(shè)示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位分組情形

運(yùn)用VirtuoZoAAT軟件，加入不同批次的像控點(diǎn)對此區(qū)域進(jìn)行空中三角測量的解算，三維建模后，由同一名數(shù)據(jù)采集人員分三批次采樣同點(diǎn)名的檢核點(diǎn)（排除人工采集差異的因素對精度的影響）。通過模型采集點(diǎn)位與全站儀實(shí)測點(diǎn)位對比分析，計(jì)算平面差值及中誤差。

依據(jù)高精度檢測的對比方法，不妨假設(shè)全站儀實(shí)測點(diǎn)位為近似真值，則檢測點(diǎn)平面坐標(biāo)點(diǎn)位中誤差計(jì)算公式為：

該實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取了20個點(diǎn)位進(jìn)行檢測。不動產(chǎn)權(quán)籍測繪對高程無要求，檢核點(diǎn)未選取高程進(jìn)行檢核。檢核結(jié)果（如表2所示）：

表2 檢核點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)表 單位：cm

根據(jù)《地籍調(diào)查規(guī)程》（TD/T1001-2012）的要求，界址點(diǎn)相對于鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得超過5cm。A組數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差不滿足要求，B組與C組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)位中誤差符合要求，B組至C組中誤差變化趨勢明顯放緩，精度提高不顯著[5]。由此可見，該試驗(yàn)區(qū)域均勻布設(shè)像控點(diǎn)點(diǎn)數(shù)在17個是較為經(jīng)濟(jì)合適的，遵循此密度的布設(shè)方式，像控點(diǎn)平均間距則控制在80m左右。

2.2 人工采集對精度的影響

三維模型構(gòu)建完畢后，基于模型人工采集形成DLG。由于最終提交的圖形成果以地籍地形圖為基準(zhǔn)，那么在模型精度相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，人工采集數(shù)據(jù)的誤差則會影響最終成果的精度。

現(xiàn)對同一三維模型抽取40條界址邊長，由兩組數(shù)據(jù)采集人員分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。M組由熟練數(shù)據(jù)采集人員構(gòu)成，N組由初學(xué)模型數(shù)據(jù)采集人員構(gòu)成。選取的界址邊長由長邊或色差區(qū)分不顯著的短邊構(gòu)成，短邊的選?。ㄈ鐖D4所示）：

圖4 短邊示意圖

兩組人員的采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如表3所示）使用高精度檢測的方法計(jì)算誤差。M組采集的邊長數(shù)據(jù)與檢測值的較差的中誤差小于5cm，N組采集的邊長數(shù)據(jù)與檢測值的較差的中誤差高達(dá)16.3cm，遠(yuǎn)超中誤差的限值。

表3 檢核邊長較差表 單位：cm

對照兩組人員的點(diǎn)位采集方式，N組直接采點(diǎn)操作較多，拐角不清晰處采點(diǎn)較為隨意。因此，為提高精度，在采集長邊中應(yīng)遵循兩端采點(diǎn)形成方向線的原則，避免邊長方向偏差較大。房角點(diǎn)位應(yīng)避免直接采點(diǎn)，多運(yùn)用鄰邊相交獲取要素點(diǎn)位的方法。對于大多數(shù)正規(guī)房屋，運(yùn)用軟件自帶的直角轉(zhuǎn)彎功能形成房角點(diǎn)。人工采集對成果的影響是顯著的，熟練度不同的技術(shù)人員對于同一三維模型采集形成的地籍地形圖的精度差異巨大[4]。

3.結(jié)論

傾斜攝影測量內(nèi)業(yè)基于三維模型，采集地籍要素時無需佩戴立體眼鏡，可減輕內(nèi)業(yè)人員的視覺負(fù)擔(dān)，使采集整理一體化，效率較高。結(jié)果初步證明了這一測量技術(shù)在地籍地形測量中的實(shí)用性。對于像控點(diǎn)的布設(shè)密度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明布設(shè)間距以80m至100m為宜，可保證空中三角測量質(zhì)量檢查的順利通過；三維模型的數(shù)據(jù)采集需掌握基本的方法，避免直接點(diǎn)位的采點(diǎn)，降低模型采集的粗差率。利用無人機(jī)傾斜攝影不僅能夠方便快速地獲取三維模型要素，形成地籍地形圖，還為后續(xù)登記發(fā)證工作提供現(xiàn)勢性較強(qiáng)的模型佐證，給予農(nóng)戶更清晰直觀的視覺畫面。