倾斜摄影测量在农村房地一体测绘中的应用

　　摘要： 近几年来，随着无人机技术以及摄影测量技术的发展，同时随着国家、地方政府针对农村不动产确权登记政策的陆续出台，农村房地一体测绘成为目前测绘市场的主流，在这种情况下，亟需加快、加强农村不动产权籍调查与确权登记工作的推进，规范和促进农村不动产权籍调查，支撑保障宅基地和集体建设用地使用权确权登记发证，并将调查成果充实到现有不动产登记体系，为全面推进和实施城乡一体的不动产登记奠定基础。但是在开展工作的过程中，还有赖于测绘技术提供强有力的技术支持，保证农村不动产权籍调查与确权登记工作有序地开展下去。对于工作过程中倾斜摄影测量技术如何投入具体运用，本文将进行着重阐述，并就此过程中一些注意事项加以说明，为我国农村不动产权籍调查与确权登记工作效率和质量的提高提供有效参考。
　　1  、引言
　　2018年5月中国土地勘测规划院在全国范围内选取12个省市地区开展2018年度不动产权籍调查和确权登记示范工作，其中云南省安宁市被选定为试点，我单位有幸承担本次项目，并开展相关测绘工作。
　　在工作过程中，采用大疆创新MRTRICE Pro600无人机+5镜头相机Riy-DG3进行野外航测数据采集，采用ContextCapture软件进行三维建模，采用EPS3D软件进行数字化制图。
　　投影方式采用高斯-克吕格3°带投影，中央子午线为102度，平面坐标系统采用2000国家大地坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，基本等高距为0.5米，地面分辨率不大于0.05m。
　　2、 控制网设计
　　云南省全省范围内已覆盖YNCORS网信号（其平面坐标系为2000国家大地坐标系），可直接采用其加密像控点的平面坐标，高程则利用原有各个街道办事处的高等级控制点的高程坐标对已测得的错误高程统一改算（加或减常数，每天算得的常数均不相同），若坐标系不一致则需要进行坐标转换后再使用。实例见图1至图3.
　　图1硬化地面用红漆标十及点号 图2土路用石灰标十及点号
　　像控点观测：采用YNCORS测量时至少对一个以上的控制点进行检核，平面较差在5cm以内，高程较差在10cm以内时，方可进行像控点控制测量。数据采集时测回数≥2次且各测回间平面坐标分量较差不超过2cm，垂直坐标分量较差不超过3cm，取各次结果中数作为最终结果，考虑常规方法定向，每点至少有1个以上的通视方向，其它技术要求参考《卫星定位城市测量技术规范》。
　　像控点的选择：在每个测区范围内需按照航空摄影测量规范的要求布设足够的像控点，用以保证测量精度。一般情况下，飞行每架次大约可测0.3Km2,需要布设不少于5个像控点，且像控点需均匀分布（一般是测区四个角各1个，中心位置1个）；如需分架次或分区，则必须在区接边位置布设不少于3个的像控点。像控点位置应选择在开阔、俯瞰明显的地段上。用YNCORS按照上述方法测量。
　　3  、飞行航线设计
　　（1）航摄高度的确定
　　无人机倾斜摄影的飞行高度是航线设计的基础。航摄高度需要根据任务要求选择合适的地面分辨率，然后结合倾斜相机的性能，按照式( 1) 计算
　　H= f×GSD/α （1）
　　式中，H 为航摄高度，单位为 m; f 为镜头焦距，单位为 mm; α 为像元尺寸，单位为 mm; GSD 为地面分辨率，单位为 m。
　　（2）航摄重叠度的设置
　　低空数字航空摄影规范规定＂航向重叠度一般应为60% ～ 80%，最小不小于53%; 旁向重叠度一般应为15% ～ 60%，最小不小于8%。在无人机倾斜摄影时，旁向重叠度是明显不够的。不论航向重叠度还是旁向重叠度，按照算法理论建议值是66．7%，但是一般类似项目经验是80%。
　　建筑稀少区域：考虑到无人机航摄时的俯仰、侧倾影响，无人机倾斜摄影测量作业时在无高层建筑、地形地物高差比较小的测区，航向、旁向重叠度建议最低不小于70%。要获得某区域完整的影像信息，无人机必须从该区域上空飞过。以两栋建筑之间的区域为例，如果这两栋建筑由于高度对这个区域能形成完全遮挡，而飞机没有飞到该区域上空，那么无论增加多少相机都不可能拍到被遮区域，从而造成建筑模型几何结构的粘连。
　　建筑密集区域：建筑密集区域的建筑遮挡问题非常严重。航线重叠度设计不足、航摄时没有从相关建筑上空飞过，都会造成建筑模型几何结构的粘连。为提高建筑密集区域影像采集质量，影像重叠度最多可设计为80% ～ 90%。当高层建筑的高度大于航摄高度的1 /4 时，可以采取增加影像重叠度和交叉飞行增加冗余观测的方法进行解决。影像重叠度与影像数据量密切相关。影像重叠度越高，相同区域数据量就越大，数据处理的效率就越低。所以在进行航线设计时还要兼顾二者之间的平衡。
　　（3）区域覆盖设计
　　＂航向覆盖超出摄区边界线应不少于两条基线。旁向覆盖超出摄区边界线一般不少于像幅的50%＂，这是原规范在航摄区域边界覆盖上的保证，但在无人机倾斜摄影时是明显不够的。理论上，需要目标区域边缘地物能出现在像片的任何位置，与测区中心地区的特征点观测量一样。考虑到测区的高差等情况，可以按照式(2) 来计算航线外扩的宽度。
　　L =H1×tan θ+ ( H2－H3 ) +L1 （2）
　　式中，L 为外扩距离; H1 为相对航高; θ 为相机倾斜角; H2 为摄影基准面高度; H3 为测区边缘最低点高度; L1 为半个像幅对应的水平距离。
　　（4）摄影时间
　　航摄季节应选择本摄区最有利的气象条件，并要尽可能的避免或减少地表植被和其他覆盖物(如：积雪、洪水、沙尘等)对摄影和测图的不良影响，确保航摄像片能够真实地显现地面细部。选择航摄时间，既要保证具有充足的光照度，又要避免过大的阴影，一般根据摄区的太阳高度角和阴影倍数选定。
　　（5）补摄和重摄
　　航摄过程中出现的绝对漏洞、相对漏洞及其他严重缺陷必须及时补摄。漏洞补摄必须按原设计航线进行。补摄航线的两端一般需超出漏洞外两条基线。
　　4、 航测方案实施
　　（1）整体作业流程
　　（2）无人机低空航摄实施
　　组装检查完毕后，即可根据天气情况和航空管制情况，选择适宜的飞行时间进行航摄。
　　使用深圳市大疆创新科技有限公司开发的DJIGO软件检查好无人机固件、电池电量及IMU组件正常后，使用DJIPro软件规划航区及航线，即可一键起飞，拍照和一键降落。
　　飞行结束后，及时下载POS点数据和影像数据，并整理POS点数据、影像数据，及时备份数据。
　　（3）数据预处理及航摄质量检查
　　飞行完毕后，对影像进行简单的预处理，对飞行质量和影像质量进行检查，确认影像质量是否合格、是否有漏拍等，否则，需要重拍和补拍。
　　（4）飞行质量检查
　　飞行完毕后，应在现场对飞行质量和飞行姿态等进行初步检查，以确认成果是否可用。通过下载POS点文件可以查看飞行姿态、航高变化差以及相片有无漏拍情况，重叠度检查可以通过PT-GUI软件进行检查。下面是具体检查项目：
　　（1）重叠度是否达到相关规范要求。
　　（2）影像俯仰、滚转和旋偏角是否符合规范要求。
　　（3）航高变化差是否符合规范要求。
　　（4）有无漏拍等现象。
　　（5）影像质量检查
　　对影像质量进行初步检查，是否符合规范要求。要求如下：
　　（1）影像清晰，层次丰富，反差适中，色调柔和，能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型。
　　（2）影像上无云、云影、烟、大面积反光、污点等缺陷。
　　（3）曝光瞬间造成的像点位移小于1个像素。
　　（6）ContextCapture软件建立三维立体模型
　　ContextCapture软件是一款可实现由照片自动生成高分辨率三维模型的倾斜数据自动三维重建软件，照片可来自于任何数码相机，包括智能手机的相机，建模水平处于国际领先地位。
　　倾斜摄影三维建模过程分解如下图：
　　倾斜摄影数据三维建模作业流程如下图：
　　EXIF影像处理：为方便倾斜摄影数据整理和后期处理，无人机管家自带EXIF写入功能，可将经纬度信息写入照片属性。
　　POS数据格式为*.TXT；排列方式如下，其中经纬度需为10进制。
　　ID 经度 纬度 高度
　　在＂智理图＂中选择EXIF处理，并选择原始影像路径，POS数据路径及输出路径；对齐方式按＂顺序对齐＂ 不同相机的放在不同文件夹下，软件自动识别为不同相机。
　　数据处理：在软件中新建工程，加载影像数据，并加入相机参数，检查POS序列及相机参数是否正确，而后提交自由网空三解算，检查结算报告，像方误差应控制在0.5 ～ 1个像素之内，并且检查POS特征点是否正常。
　　加入控制点的空三解算，先导入控制点文件（格式为*.TXT），设置控制点投影参数。
　　ID ｘ ｙ ｚ （以空格分隔）
　　刺点：采用点位预测，设置为The might view point 一般每个像控点刺15-20张影像，为提高精度，清晰的影像应尽量多刺，然后提交空三解算。
　　空三计算：该系统中空三计算是自动完成，采用光束法区域网整体平差方法进行。即以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元，以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程，通过各光线束在空间的旋转和平移，使模型之间的公共光线实现最佳交会，将整体区域最佳地嵌入到控制点坐标系中，从而恢复地物间的空间位置关系。
　　空三精度：在《数字航空摄影测量空中三角测量规范》中，对相对定向中像片连接点数量和误差有明确的规定，但在无人机倾斜摄影空三中没有相对定向的信息，单个连接点的精度指标也未体现，不能完全照传统空三那样去挑粗差点，可以从像方和物方两个方面来综合评价空三的精度。物方的精度评定比较常用，就是对比加密点与检查点( 多余像片控制点，不参与平差) 的坐标差; 像方的精度评定，通过影像匹配点的反投影中误差来进行控制。空三常规的精度指标只能表现整体的精度范围，却不能看到局部的精度问题，通过外方位元素标准偏差更能全面的表现。通俗来讲，空三运算的质量指标包括: 是否丢片，丢的是否合理; 连接点是否正确，是否存在分层、断层、错位; 检查点误差、像控点残差、连接点误差是否在限差以内。
　　三维重建参数设置：该项参数设置的目的是为了控制三维模型建立的范围，可以参照软件自动计算的范围，也可以人为干涉减少模型建立范围，这是为了项目的省时去掉多余瓦片的生成。
　　确立模型范围准备瓦片生成如下图:
　　（7）ContextCapture软件数据表的处理
　　原始数据信息需要整理成该软件需要的格式，即xls标准格式。
　　这些原始数据包括：相机表，POS表，控制点表及选项设置表，畸变纠正后影像无法写入EXIF情况表等，常用于地方坐标系。
　　相机表 Photogroups：主要记录所使用的相机参数；包括：相机名称、宽、高、焦距、像元大小；不同架次写不同相机，如下例表：
　　影像POS表Photos：记录所有参与计算的相片名称及其对应的相机名称、POS/IMU信息。当存在IMU信息时，则要求相机的定位信息准确，否则可不用进行相机定位信息的设置。
　　控制点表ControlPoints：参与空三解算的控制点信息 （无控制点时该表可不导入，也可建立工程后导入），POS与控制点坐标系可不一致。
　　选项设置表Options：记录导入的POS/控制点的坐标系信息及IMU的角度单位，设置要导入影像的路径。注意：路径不要出现中文，影像放一起时，影像不能重名!
　　导入上述各种表：新建工程，点击import blocks，导入数据表，建立分区，即完成数据的导入及设置，其他同EXIF影像处理步骤。
　　（8）瓦片的生成及三维模型的建立
　　图形处理工作站：由于倾斜摄影数据处理量巨大，瓦片生成时间极其耗时，常规机器处理慢，时间长，性能严重不足，需要建立图形工作站进行并行计算。图形工作站是由一台计算机为主机，多台高性能计算机串联的集合体。
　　将计算任务分解成多个并行的子任务，分配到具有并行处理的计算节点上，通过各节点上的处理器相互协同，共同解算并行子任务，从而使得计算加速。并行计算系统主要有并行计算机，并行算法和并行编程三个重要组成部分，如图下图所示。并行计算的基础是并行计算机，并行计算机的核心组成是处理器、内存和互联网络。通过互联网络将并行计算机串联起来，在并行机上实现影像数据的同步、共享和访问。针对特定应用类型进行互联网络拓扑设计，可以极大提升并行计算能力和效率。并行算法的主要设计分为任务分解、通信设计、任务聚合和处理器映射四个步骤，根据并行算法通过并行编程环境编制为程序并运行得到计算结果。
　　影像数据的密集匹配和空三解算可以在任何一台并行机上实现，在模型重建过程中，将模型划分为若干个大小长度相等的规则瓦块。依据并行算法和程序，通过互联网络使得串联的并行计算机同时对划分好的规则瓦块进行并行计算。通过并行计算的实施，极大地提高三维模型计算和生成的速度，同时降低了三维模型对计算机硬件的配置要求。
　　并行计算结构图
　　面向GPU 的LOD 可视化
　　在倾斜摄影测量的三维模型的可视化需要CPU和GPU 协调合作完成，纹理映射、模型绘制以及场景的渲染主要依靠GPU 的性能和效率。GPU 具有小缓存多核的架构和快速高效的并行计算能力，适应GPU的数据结构必须能够充分发挥GPU 高速处理和高效渲染的能力，避免计算机硬件数据带宽冲突问题。倾斜摄影测量生成的模型数据进行分块分级处理，对于生成的瓦块数据建立四叉树或者八叉树的空间索引模型，从而提高数据的读取效率，减少数据 I/O 操作，加快数据的调度和绘制。基于四叉树索引结构的多细节层次模型(LOD) ，如图3 所示。在三维模型数据生成过程中，通过不同的简化比例得到三维模型数据的LOD，一般至少有5 层～6 层，多的可达10 层左右。
　　基于四叉树的LOD 模型
　　由瓦片构成的模型预览图
　　（9）全数字摄影测量
　　采用清华山维EPS软件进行数字测图。主要遵循＂内业定位，外业定性＂的原则。利用生成的三维模型数据，采集全要素数据，生成图形文件。作业按＂两外两内＂方案实施，即外业像控、内业测图、外业调绘、修补测、内业编辑。
　　具体要求如下：
　　(1) 原则上由内业定位，外业定性。在三模型上进行判读采集，三维模型中地物轮廓全部或部分可见的，用鼠标点击地物外轮廓和定位点采集，做到不变形、不移位、不遗漏。
　　(2) 测绘线状要素时应注意采点密度，曲线不得有明显变形和打折；要素不得自相交和重复采集。有向线要素（如陡坎）的采集，线状符号应在前进方向的右侧。
　　(3) 数据采集以图幅为单位进行，每幅图保存一个文件，文件名与图幅编号一致。
　　(4) 数据应分层采集、存放；输出*.DXF时,应注意选择相应的输出层表，和代码一致。
　　(5) 地形要素采集按GB/T 13923-2006《基础地理信息要素分类与代码》执行。
　　(6) 水系如河流、湖泊、池塘、双线水渠的水涯线以摄影时水位为准, 以岸边线为外轮廓线（注意：当外轮廓线与水涯线的间距图上大于1mm时应分别测绘）。
　　(8) 明显地物点、地形特征点、一类方位物上均要求测绘高程注记点。（如道路交叉口、独立地物点、山头、鞍部、坎上、坎下等）。所有陡坎一律不测注比高，改用测注坎上和坎下的高程，以高程点表示测注高程的位置。
　　(9) 等高线全部用人工采集高程点，使用软件生成，且注意不得有点、线矛盾。立体上能区分的地类边界应尽量采集其边界线。
　　(10) 数据必须经过接边处理，按照 ＂接西北边＂的原则进行。
　　(11) 地物平面位置的接边较差一般不大于地物点平面中误差的2倍，最大不得大于2.5倍。等高线高程接边较差不大于等高线高程中误差的2倍，最大不得大于2.5倍。
　　(12) 要素接边属性应保持一致，要素关系应协调合理。地貌接边时，应遵循地貌的自然走向，不能硬接；地物接边时，应注意线状地物相接时，以相邻近的转折点相接，不应出现折线。
　　(13) 居民地要素采集要求房屋应逐个采集，原则上不进行综合。
　　(14)交通要素采集要求：等级道路、乡村路、大车路、小路均按各自代码采集。宽度不依比例尺的道路、桥梁、隧道依据立体模型按中心线采集；依比例尺的道路、桥梁、隧道依据立体模型实采两条边线，当道路边线与其他线状地物（如栅栏、路堤等）重合时，道路边线不再采集。
　　街道边线按影像采集。
　　5、 结束语
　　总之，随着无人机测绘技术的日益成熟以及人工智能的高速发展，利用无人机倾斜摄影技术进行地形图测绘特别是建筑物密集区域的测绘，实现了从野外数据采集到内业成图的高度自动化，大大地提高了野外的工作效率，减轻了劳动者的劳动强度，降低了测绘成本，但是同样加大了内业的工作量。但是综合了优缺点后，这项新技术在房地一体测绘中所展现的高质量的工作效率是其他传统测量技术所不能达到的，因此值得大力推广使用。
　　作者信息：
　　鲍安兴、赵云、耿屯 云南省有色地质三一二队
　　白 帆 云南省国土资源规划设计研究院
　　赵珊珊 云南省地理信息协会
　　本文刊于《云南国土》第3期
　　转载于：云南国土空间规划