无人机倾斜摄影在水利水电工程移民实物调查中的应用

刘芳，周毅，曾艳菲，陈峰，赵国庆

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

0 引言

水利水电工程移民实物调查工作主要是对工程涉及区域内的各类实物指标进行数量和质量上的测量、登记，是水利水电工程移民安置中的重要环节。目前，社会各阶层逐渐意识到以往水利水电工程“重工程，轻移民；重搬迁，轻安置”的弊端[1]及其对移民生产生活带来的不良影响，并且随着人民生活水平和自身权益保护意识的提高，水利水电工程移民安置过程中涉及的实物补偿成为移民关注的重中之重，稍有不妥便易引起上访、聚集闹事等群体性事件。此外，移民实物成果是水利水电建设项目论证规模与控制投资的决定性因素之一[2]。因此，作为移民安置基础的移民实物调查便显得尤为重要。

实物调查内容涉及土地、人口、房屋、企事业单位、专业项目(交通、电力、通信等)等，目前通用的移民信息采集方式包括传统纸质调查方式和应用调查信息系统2种[3]，但是2种方式均需要调查人员携带繁重设备深入项目所在地，长期驻扎进行逐户或逐项调查，工作内容琐碎复杂，工作方式机械单一，需要投入大量的人力、财力、物力[4]。对于关系到实物补偿的房屋调查，更需要调查人员对每一幢大小、新旧不一的房屋进行现场测量，十分耗时费力。因而，如何在水利水电移民工程前期阶段快速并且准确地调查移民实物信息，同时减少对项目地居民的影响，对于工程方案比选、移民安置概算、水库水电站项目的导截流蓄水方案确定等项目决策具有重要意义。

近年来，随着地理信息技术和低空航空摄影测量的快速发展，无人机航空摄影已形成专门的产业服务链，在大比例尺地形图制作、建筑物三维建模、农村地籍测量、城市规划、交通选址等方面应用广泛[5-8]。无人机倾斜摄影是无人机航空摄影中的重要组成部分，通过在无人机上搭载多个传感器，同时对地物的前后左右及顶部5个方向进行摄影，获取不同方向的具有一定倾斜角度的影像，同时记录拍摄时间、拍摄点的位置信息、航速和航高等基础信息，可以在短时间内完整地获取地物信息，建立三维模型。无人机倾斜摄影具有快速灵活、精度高、效率高、成本低等许多优势，对于城市建设、自然资源调查和社会发展具有重要推动作用。目前，无人机倾斜摄影技术在水利水电领域的应用多集中在地形测绘、与BIM技术结合展示工程模型等方面，在移民安置过程中鲜有应用[9-10]。本文以浙江省葛岙水库建设为契机，探讨无人机倾斜摄影技术在移民实物调查领域的应用和精度，以期为水利水电工程移民实物调查工作的快速、准确开展提供一种可行的新方法，为项目决策快速提供基础资料。

1 工作流程

结合移民实物调查的特点和无人机倾斜摄影的主要环节制定了本试验的主要工作流程，具体如图1所示。

图1 工作流程图

1.1 无人机影像获取

作业区确定是航空作业的第一步，一般根据研究对象或项目要求确定。飞行方案设计则是结合作业区的特点设计作业方案，通常先搜集作业区的地形图和历史卫星影像资料，了解作业区的自然地理状况，进行飞行方案设计，初步确定航摄比例尺、航高、影像重叠度、航摄分区、航摄时间、航飞路线等技术参数，再进行实地勘察，查看作业区内是否有高大遮挡物、高压电塔等，根据实际情况调整相关飞行技术参数。实际航飞时将事先规划好的航线载入无人机飞行控制系统，飞控手按照航线设计控制无人机执行航摄任务，航飞的同时，无人机搭载的多传感器相机按照预先设定的拍摄时间间隔、倾斜角度等参数同时进行多方位的地物摄影，无人机的定位定向系统同步记录拍摄时的无人机位置信息，完成倾斜影像及同步位置数据的获取。飞行过程中，需及时将各个架次获取的影像及航飞记录文件下载至电脑，检查数据完整性及数据质量，对未达要求的及时进行补飞。

1.2 三维模型构建

将无人机获取的所有倾斜相片、相机传感器及镜头参数、位置数据全部导入软件，完成影像的检查、合并等预处理步骤；然后导入外业获取的作业区控制点，将控制点与影像人工进行关联，利用航摄相片、航摄地物与航摄相机三者的几何位置关系进行空中三角测量，获取待求点的位置及像片外方位元素等，运用多视角倾斜影像匹配技术生成三维不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)，对整体数据进行空三加密，获取加密点云；最后生成数字表面模型(digital surface model，DSM)，对影像进行纠正生成真正射影像(true digital ortho map，TDOM)，建立初始三维模型，并利用影像给初始三维模型添加纹理，形成三维实景模型。模型建立过程中关注检查模型质量，使之符合精度要求。

1.3 地物要素采集

将三维实景模型及真正射影像加载到专业的三维测图及数据采集软件中，利用软件强大的图形编辑及专业数据处理功能对作业区进行图形属性一体化采集。借助比较成熟的无人机倾斜摄影测量地形图技术，获取居民点、地貌、交通、管线、水系、植被等主要地物要素的地理位置及属性信息，并对各地物要素进行分类分层存储，同一类型要素均分为点、线、面、注记4个图层。

1.4 移民信息提取

通过无人机倾斜摄影获取的地物要素在分类上与现行的《水利水电工程建设征地移民实物调查规范》中的移民实物分类存在部分不一致的情况，而且地物的权属关系无法确定，因此三维测图完成后，需对采集的地物要素进行移民信息提取。移民信息提取采用的方法为外业调绘与现场询问相结合，具体流程如下：1)针对内业采集的地物要素进行修补测，确保属于移民实物调查规范中的实物内容清楚、明确、无遗漏；2)根据移民实物调查规范的分类要求对外业补调绘后的地物要素建立移民地理数据库，实现图属关联；3)通过公安户籍部门将作业区的人口信息以行政村为单位逐户输出，通过工商行政主管部分将作业区的企事业单位的基本信息以行政村为单位逐一输出；4)由作业区行政村的相关负责人协助，将房屋、附属物、零星林果木信息与3)中的人口信息或企事业单位相对应，明确房屋的权属及边界，现场确定土地的边界及对应的权属人/单位；5)请涉及专业项目的相关主管部门对采集到的专业项目信息进行核对、补充、确认；6)通过作业区涉及的乡镇/街道获取社会经济信息；7)根据上述成果进行内业整理，完善移民地理数据库中的地物信息，关联移民地理数据库中各地物的权属人或权属单位，调整房屋和地块的边界；8)检查核对形成最终的水利水电工程移民实物数据库。

2 实验案例

本实验结合葛岙水库建设需求，选定浙江省宁波市葛岙水库的建设征地范围为作业区进行无人机倾斜摄影测量。

2.1 作业区概况

作业区位于浙江省宁波地区，属于低山丘陵地带，为集中式居民地。作业区范围根据葛岙水库建设征地范围确定，面积约3.12 km2。

2.2 无人机航摄

本实验采用自研的ZN1000+五镜头无人机航拍系统，该系统包括六旋翼无人机飞行器、倾斜摄影相机、飞行控制系统和地面控制站，是一套灵活性高、稳定性好的专业化航测系统，其中倾斜摄影相机为睿铂RIY-D2五镜头相机，正摄21.8 mm定焦镜头，倾斜36.2 mm定焦镜头，倾斜角45°视场角，垂直镜头为航向65.4°、旁向56.2°，倾斜镜头为航向43.8°、旁向37.2°，可实现多方向影像获取，具有体积小、重量轻、稳定性高和操作便捷的特点。ZN1000+五镜头无人机航拍系统可满足测绘、电力、水利、国土等行业的基础应用。

无人机飞行前对葛岙水库建设征地范围进行了实地踏勘，了解作业区环境和地形起伏情况，并收集了带征地红线的地形图和现有控制点坐标。无人机航线是利用Zero-tech软件结合地形及建设征地范围形状设计的最佳航线，本次实验共飞行15个架次，图2所示为第1架次的设计航线。本次航飞相对航高为168 m，航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%。像元尺寸大小3.9 μm，像幅为6 000像素×4 000像素。航摄期间结合航线、地形情况、成图精度及像控点布设规范在作业区采用区域网法布设像控点，采用选取作业区内的道路交叉口、地物拐角点等易于辨认的特征点及现场人工布设标志2种方式布设控制点，人工布标为每间隔350 m布设一个十字标(白色油漆或石灰)，并在水库淹没红线的凸角转折处予以加密。采用GPS-RTK测量技术施测，即在作业区内已知点架设基准站和移动站测量计算参数并校点合格后进行像控点测量，每个控制点测量3次取平均值作为观测结果，3次测量值的较差要求平面小于2 cm，高程小于3 cm。控制采用CGCS2000平面坐标系及1985国家高程基准。

图2 一架次飞行航线

2.3 三维建模与地物要素采集

本实验采用Smart 3D商业软件进行数据处理与三维建模[11]。主要过程为：建立模型工程；对数据进行预处理，预处理包括检查影像及控制点质量，影像匀光匀色处理等；将获取的影像数据导入软件并添加相机参数；选择空间坐标系并设置其他有关参数；添加外业获取的控制点，进行影像自动匹配并将影像与控制点进行人工关联；利用光束平差法进行空中三角测量以加密数据；生成高密度点云，在其基础上生成三维TIN网格，再生成白模，最后对白模添加纹理，建立真三维模型[12]，完整并逼真地呈现作业区现状。生成三维实景模型(图3)的过程中同步获取真正射影像(图4)、数字高程模型、数字表面模型(图5)等产品。本实验生成的真正射影像精度为0.02 m，三维倾斜模型精度为0.06 m。

图3 实景三维模型(局部)

图5 数字表面模型

地物要素采集在商业软件EPS中由专业三维测图人员进行矢量化操作来获取。首先在软件中同时加载三维倾斜模型和超大真正射影像，在三维倾斜模型中利用绘点、绘线、绘面、线划法、五点房等功能快速绘制不规则地物及标准房屋。绘制房屋的过程同时键入房屋属性信息，包括结构类型、层高、层数、房屋外立面装修情况等[13-14]，绘制附属物、道路、管线、植被、河流湖泊等其他地物时也同步采集相关属性信息(图6)，无需房檐改正的房屋可直接在正射影像上快速绘制。操作过程中充分借助软件提供的快捷键来提高数据采集效率，数据采集过程中严格执行《数字航空摄影测量测图规范》相关测图要求。

图6 ArcMap中主要地物要素图(局部)

2.4 移民信息提取

采集完各类地物要素后，对部分内业判断有疑问的地物进行外业修补测，以确保实物内容齐全。修补测程序完成后得到完整可靠的地形图，在地形图的基础上，根据《移民实物调查规范》对各地物要素进行分类存储及挂接图形的属性数据，转换为地理数据库。通过相关部门及单位获取人口、企事业单位等信息，形成以户或家为单元的数据表单，并在作业区村镇负责人的协助下与三维模型获取的房屋、附属物、零星林果木、地类地块等信息关联对应，同时明确地物要素采集过程中无法区分的房屋边

界、地块边界等界址信息，确保各实物信息均确权到权属人或权属单位。此外，由专业项目主管部门确认专业项目权属边界，并补充相关属性信息。通过上述过程获取的实物数据及社会经济信息组成完整的矢量型水利水电工程移民实物数据库。

2.5 移民实物成果精度分析

《移民实物调查规范》中规定了不同阶段的人口、房屋、耕园地及林草地等主要实物的调查精度，其中项目建议书阶段的调查精度要求分别是人口(±10%)、房屋(±10%)、耕园地(±10%)、林草地(±15%)。由于三维倾斜模型获取的移民信息主要为房屋、土地、附属物和线状专业项目，因此本实验综合选取房屋及地类地块进行精度比对。结合项目关注实物尺寸、规模等数量信息的特点，本实验在整个作业区范围内均匀选取了102幢房屋与喜利得激光测距仪测量的房屋面积进行比对，选取24个地块与采用GPS-RTK技术获取的土地勘测定界成果进行对比，用于检查通过三维倾斜模型测量的地物精度。三维倾斜模型测量的房屋面积与现场实际测量获取的房屋面积对比分析情况如表1和图7所示。三维倾斜模型测量的地块面积与土地勘测定界的地块面积对比如图8所示。

表1 房屋面积差值范围表

图7 房屋误差绝对差值散点图

图8 地块面积相对误差

根据表1中的平均值及中误差，可以看出本次实验房屋面积的精度较高，房屋面积相对误差最大5.74%，最小的仅0.07%，各幢房屋面积的平均相对误差比例为1.72%，达到实物调查可行性研究报告阶段的±3%精度要求。图7显示三维倾斜模型测量的房屋面积与实际获取的房屋面积差值集中在±3 m2之间，占64.71%。

根据图8结果，地块面积相对误差最小为0.09%，最大为8.37%(沟渠)，平均相对误差为2.30%，相对误差超过3%的地块共有7个(均为林地)，占选取的检查地块个数的29.17%。从图中可以看出相对误差主要取决于地块面积，地块面积越小，误差越大。经过检查，高大树木遮挡及房屋密集分布是造成部分房屋及地块误差较大的主要原因。此外，信息采集与数据精度分析过程中，发现如下特点：1)三维倾斜摄影测量对于有弧形墙、缺角、非矩形、上下层墙体不对应等不规则的房屋特别适用，快捷方便远超现场测量；2)楼间距过窄会导致三维实景模型变形，从而增大误差；3)房屋墙体被绿色植物覆盖时误差增加；4)联排房屋不易区分，测量时容易将多个权属人/单位的房屋合并测量；5)祖传老旧房屋一般单幢房屋分属不同权属人，基于三维倾斜模型测量时无法区分，必须依赖现场问询；6)沟渠、道路等线状地类受树木遮挡，测量时需仔细；7)各地民居各具特点，测量前制定针对性方案极为必要。

综上，本实验基于无人机倾斜摄影开展的水利水电工程移民实物调查工作完全可以满足《移民实物调查规范》中对项目建议书阶段移民实物调查的精度要求，基本满足可行性研究报告阶段移民实物调查的精度要求(人口、房屋、耕园地精度要求均为±3%，林草地精度要求为±5%)，但在房屋权属划分到户、地块划分到组等权属界定方面限制性较多，需综合现场问询及修补测。

3 结束语

本文详细阐述了应用无人机倾斜摄影技术开展移民实物调查的方法及工作流程，并以葛岙水库移民实物调查为例，测试了无人机倾斜摄影技术在水利水电工程建设征地范围三维实景建模及移民实物信息提取方面的可行性。无人机倾斜摄影测量技术在应对任务繁重、时间紧迫且入户调查难度大的移民实物调查项目(尤其是未开展大比例尺地形图测绘的项目)时具有明显优势，影像获取简单灵活，数据采集方便快捷，可大量节省外业调查的人力物力，提高移民信息采集的效率和准确率，为移民投资的准确估算及移民安置工作的稳步开展奠定良好基础。而且在应用无人机倾斜摄影技术开展移民实物调查的过程中间接实现了水利水电工程建设征地范围历史风貌的高保真留存，工程建设后为移民保留了一份永久的影像记忆档案。需要指出的是，本文仅测试了低山丘陵地区，并未对高山地区及高大建筑物密集的城区进行验证，这2种区域的可行性需要进一步测试验证；本实验中影像地面分辨率为0.2 m，与精度要求较高的工程可行性研究阶段的移民实物调查尚有差距，将来可以进一步验证影像地面分辨率高达5 cm甚至3 cm时该方法的适用性。本文仅探讨了无人机倾斜摄影技术在移民实物调查中的应用可行性，未来还可以探究无人机倾斜摄影技术在水库导截流方案比选、与BIM技术结合辅助库周交通改复建及移民安置区建设等移民安置其他方面的应用。