倾斜摄影测量法在“房地一体”项目中的技术研究

刘 东

（广东省地图院，广东 广州 510075）

0.引言

在测绘领域，倾斜摄影技术是一项正在快速发展的新型信息采集技术[1]。随着倾斜摄影技术的发展，实景三维模型重建的精度也随之提高，逐渐具备了内业高精度测图的数据基础，能支持实景三维模型数据和矢量数据联动的测图软件也日益成熟起来，基于倾斜摄影测量实景三维模型进行裸眼采集的技术应用现已成为现实。本文基于以上技术，根据《广东省“房地一体”农村宅基地和集体建设用地权籍调查技术指南》对倾斜摄影测量法的精度要求，提出了总体的技术方案并对关键技术进行了研究。

1.总体技术方案

倾斜摄影测量法在“房地一体”工作中应用的总体流程主要包括为倾斜摄影数据获取、实景三维模型重建和三维立体测图三个重要部分（如图1所示）。倾斜摄影部分主要包括航区规划、像控点布设与测量和无人机倾斜航拍；实景三维模型重建主要包括空中三角测量和模型重建；测图部分包括基于构建的实景三维模型进行利用相应软件进行三维立体测图和利用传统测量方法[2]进行外业补测及成果更新。

图1 总体流程图

2.关键技术分析

2.1 倾斜数据获取

实景三维模型的质量和精度取决于多方面因素。为保证高质量、逼真的三维建模效果[3]，需要从摄影设备选型、影像获取、数据处理各方面进行质量控制。

（1）倾斜摄影平台选择。倾斜摄影平台由无人机和倾斜摄影镜头组成。无人机的选择要注意选择飞行姿态稳定、带RTK定位、且飞行时长较长的品牌及型号；倾斜摄影镜头可选择当前流行的五镜头摄影仪，倾斜摄影镜头要具备高像素、成像良好、拍摄稳定不丢片和数据便于导出等特性；

（2）分辨率与航高设计。设置恰当分辨率精度和飞行高度是确保实景三维模型精度的关键。航摄分辨率精度设置过高、飞行高度太低均会导致数据量过大，造成不必要的资源浪费；分辨率精度设置过低、飞行高度太高又会导致精度不够，因此要根据应用需求和镜头参数推算合理的分辨率与航高，计算公式如式（1）所示：

式中，H为摄影航高，单位为米（m）；f为镜头焦距，单位为毫米（mm）；a为像元尺寸，单位为毫米（mm）；GSD为地面分辨率，单位为米（m）。

（3）航摄时间选择。航摄影像的成图质量与航摄时间有直接关系。不同航摄时段生产的实景三维模型，阴影下和非阴影下的同名点精度误差较大。因此，航摄最好在晴天进行，尽量避开建筑物阴影较大的时段，航摄完成后应及时对数据进行备份整理并进行初检，有质量问题的区域要及时补摄。

2.2 像控点布设与测量

像控点布设是空中三角测量的基础，其测量精度、布设密度和分布直接影响成果精度。虽然有倾斜摄影平台厂商宣称可以实现免像控实现厘米级精度。实践结果表明，在特定条件下局部区域可以达到此精度，但无法保证整个测区的精度要求。

像控点布设时可参考《数字航空摄影测量 空中三角测量规范》（GBT 23236-2009）[4]，如，受测区地形等条件限制，可采用不规则区域网布点。利用目前主流的测绘级无人机和亿级像素五镜头相机组成的倾斜摄影平台进行实验，像控点参照100m－150m间进行布设，可基本保障厘米级的测绘精度。由于空中三角测量的精度最弱点主要位于测区边缘，因此要特别加强测区边角的控制，测区范围的凹角转折处或凸角转折处应加设像控点以改善测区四周的精度。

像控点实测时，先利用网络RTK测定了像控点的三维坐标，统一按照内角测量，像控点的平面坐标和高程精度要精确到0.01m，测量时进行了两次初始化。每次观测历元数不少于100个，采样间隔1s；数据采集设置单次观测的平面收敛精度不大于0.02m，高程收敛精度不大于0.03m。为了便于内业空三测量中顺利找到并能准确刺入像控点和检查点，做像控时，地面标志应使用与地面有明显色差的喷漆按L形喷涂，标志大小可按宽约0.3m、边长约0.8m，拐角须清晰可见。像控点测量完成要做好点之记。

2.3 空中三角测量与实景三维重建

空中三角测量以优化影像相对位置和绝对位置为目的，是实景三维模型重建的重要前置过程，主要包括影像匹配和平差两个步骤。空中三角测量平差前要把每个像控点和检查点准确刺入一定数量的影像中，数量一般不低于20张。空三平差过程采用光束法区域网平差法，区域网平差结束后，可在3D视图窗口中查看匹配点分布情况，空中三角测量处理完后即可进行实景三维重建，重建的过程包含自动影像密集匹配和纹理自动映射两个过程。影像密集匹配是摄影测量的重要问题之一，软件根据空三加密成果，通过多视影像密集匹配自动获取影像上同名点坐标，从而获得地物三维信息[5]。纹理自动映射由通过自动影像密集匹配获取的大量点云数据构建不规则三角网（TIN），TIN构成白模，软件自动计算出对应的纹理，并将纹理映射到对应的白膜上，由此生成基于倾斜影像纹理的“全要素、全纹理”的真实三维场景。

2.4 计算集群的应用

因实景三维模型生产数据和计算量庞大，为降低时间消耗，可采用计算集群解决方案，将同一个工程分配到多台计算机进行并行处理。计算集群的关键部件为高性能计算机、交换机和磁盘存储器。因计算机CPU性能对“空三”计算速度影响极大，电脑显卡性能对建模速度影响极大，因此要选用CPU和显卡性能均高的计算机。集群内的计算机要通过网络访问集中在磁盘存储器中的数据，因此可选择性能稳定、高带宽的NAS存储器。如，计算机数量较多时，应使用万兆接口的NAS存储器和交换机，否则数据传输会造成瓶颈。

2.5 三维立体测图

基于实景三维模型进行三维立体测图是一种新型的作业方式，为确保成果质量，应建立统一的作业标准后才可进行大规模生产。

（1）确定三维立体测图工作范围。实景三维模型质量过关、符合采集标准的房屋才可通过立体测图完成。房屋实景三维模型应整体完整且纹理清晰，如，房屋超过一面墙体扭曲或不清晰，则该房屋应判为不符合采集标准，应交由外业补充测量完成；

（2）统一采集标准。三维立体测图时，应基于恰当的比例尺进行采集，为避免因比例尺过小采集产生的误差，应将实景三维模型放大到较大的比例尺，如1∶100以上比例尺。采集时应尽量统一高度同一位置，如，由底部算起1.1m高处贴合房屋墙面或墙体拐角处进行采集。

对于墙体较为平整的有四个外立面的房屋，可采用8点4组交汇方法进行采集，即对每一面墙体取2个点构成平面，然后两两交汇出图形，每多一个外立面多2点1组与邻接面进行交汇，依次类推；对于外立面不平整的房屋，采用房屋拐角点连线法进行采集，即在房屋外墙的拐点上准确刺点并依次连线。

利用软件自动拟合墙面时，会生成白膜，采集过程中要观察立面白膜是否合理地分布在墙体上，立面白膜多说明墙体凹陷，未出现立面白膜地方则说明墙面与白膜重合或墙面凸起。

为避免拓扑错误，房屋主体和房屋附属应单独测量，结构相同的多层房屋，上层房屋和下层房屋应共线进行，共墙或共线房屋要注意拓扑问题；

（3）质量检查。完成采集工作后，重点检查房屋及其附属结构的属性是否准确、精度是否满足要求，可抽取30%的房屋检查边长测量成果，即再次测量抽取样本的边长，与采集边长进行对比，精度超限的房屋，需重新采集；除精度外还需检查二维测图成果的拓扑关系，避免出现拓扑错误。

3.应用实例

3.1 方案设计

本文以江门市新会区“房地一体”农村宅基地和集体建设用地确权登记发证工作项目（包组A）为实列。本项目采用倾斜摄影平台为大疆M300 RTK多旋翼无人机、赛尔102S倾斜摄影镜头。

项目按照优于广东省“房地一体”项目标准、参照1∶500地籍测绘精度要求设计[6]了无人机倾斜摄影的相关参数。地面分辨率根据地籍测绘5cm的中误差要求，兼顾后期采集误差，按优于1/3中误差设置为1.5cm；航高设计根据航高公式（1）计算，按已知地面分辨率、航摄仪的像元大小和镜头焦距计算出满足最低要求的摄影航高为134m，确定项目按优于100m进行航测。

空中三角测量和实景三维模型重建利用了配置为CPU i9、显卡2080Ti、内存64G的多台高性能计算机组成的计算集群，采用了支持计算集群的重建大师和ContextCaptureCenter软件进行生产。输出成果瓦片大小为100m×100m，块间的重叠为0.15m,高质量纹理的OSGB格式数据。

三维立体测图采用南方Cass3D软件进行，该软件可同时加载实景三维模型和二维矢量成果，实现二维和三维联动的绘图模式（如图2所示）。三维立体测图按照《国家基本比例尺地图图式第1部分1∶500 1∶1000 1∶2000地形图图式》（GB/T 20257.1-2017）[7]要求，即采集“房地一体”项目所需的房屋及附属结构（阳台、飘楼等），并赋予房屋结构和层数等属性信息。

图2 二维和三维联动绘图模式

3.2 精度分析

测图成果精度根据《广东省“房地一体”农村宅基地和集体建设用地权籍调查技术指南》在农村地区利用倾斜摄影测量法进行测量的精度执行（如表1所示）：

表1 倾斜摄影精度要求

（1）实景三维模型精度。实景三维模型是三维立体测图重要的基础数据，实景三维模型的精度尤其是模型的平面精度会直接影响测图成果精度。本文利用预先布设的检查点进行实景三维模型的平面精度检查，通过空中三角测量报告可以看到所有检查点均在限差范围内。

误差全局均方根（Global RMS）水平方向为x=0.01657、y=0.01835，垂直方向z=0.03842，误差中值差（Median）水平方向x=0.01139、y=0.01835，垂直方向z=0.03842。

（2）边长和界址点精度情况。实地抽样检查，随机选取了测区内的300幢房屋进行了边长验证，实际丈量了620边，符合精度的边长有615条，符合率为99.2%；随机选取了350幢房屋，每个房屋至少打了2个房角点坐标，共打点728个，711个点符合精度要求，平面中误差为0.08m，设计中误差是0.2m。

根据《测绘成果质量检查与验收》（GB/T24356-2009）[8]对于测绘成果的界址点精度规定，当平面绝对位置以及相对位置中误差超限或粗差超过5%的均视不合格。本文测区中误差满足精度要求，粗差为2.3%＜5%。成果精度能满足《测绘成果质量检查与验收》（GB/T24356-2009）的规定和精度要求。

4.结束语

本文结合江门市新会区“房地一体”项目，在总体技术方案、关键技术分析和应用三个方面，对倾斜摄影测量法在“房地一体”项目的应用进行了论述，着重分析了倾斜摄影测量法的关键技术，形成了从数据获取、实景三维模型重建和三维立体测图的一整套工作方案，实现了在满足“房地一体”项目精度要求同时降低成本、提高效率的目标。然而，该方法因受到数据获取和生产中软硬件的限制，在房屋密集区域使用该方法进行测量仍需通过较多的外业补充测量完成，因此，如何克服这一短板提高该方法的适应性是后续的研究工作。