基于无人机倾斜摄影的房地一体化农村宅基地测量方法研究

傅达好

（福建省地质工程研究院，福州350002）

1 引言

随着我国国土资源管理的精细化程度越来越高，相关部门对农村区域宅基地的权籍管理工作的要求也逐步提升，同时，城市化过程中对于近郊农村土地征收过程中所涉及的房屋拆迁和土地赔偿工作也需要较为精确的权籍证明。因此，对农村宅基地进行房地一体化测量既是保障农户财产安全的民生工程，又是政府对土地资源进行集约化管理的技术保障。

2 无人机倾斜摄影测量技术概述

2.1 系统构成

无人机倾斜摄影测量技术主要包括航拍影像采集装置和图形处理软件两大类，其中，航拍影像采集装置由无人机平台、云台、摄像镜头、航行控制器等组件构成，而图形处理软件则是指各类能够将航拍所采集的影像资料自动转换为GIS格式、三维模型格式、数字划线图等类型的软件[1]。

2.2 工作原理

倾斜摄影测量技术是通过安装在无人机平台上的多组不同角度的摄影镜头，在飞行过程中同步采集垂直角度或其他倾斜角度的影像资料，并通过图形处理软件综合计算飞行高度、航行速度、航向重叠度、旁向重叠、坐标等参数后，最终生成测量对象的三维模型或数字划线图。

通常情况下，倾斜摄影测量技术所采用的无人机都搭载有5组摄像头，其中，1组固定在机腹位置用以采集垂直方向上的影像，即正射投影，而其他4组摄像头分别以不同的倾斜角安装在无人机前、后、左、右4个方向上，从而较为完整地采集地面物体侧面的轮廓和纹理信息。

3 无人机倾斜摄影测量技术在农村宅基地测量中的优势分析

首先，无人机倾斜摄影测量技术所搭载的摄像镜头可采集图像分辨率已提高至4K（4 096×2 160）甚至8K（7 680×4 320），在通过图形处理软件处理加工后所形成的界址点精度可控制在约0.05 m，虽然不及全面采用GPS-RTK技术所能达到毫米或厘米级别的数据精度，但已经能够满足农村区域宅基地测量的数据精度需求。

其次，无人机倾斜摄影测量自动化程度高、测量速度快。目前，无人机倾斜摄影测量技术中需要人为干预的环节较少，如控制点布控、数据参数设置等，其他大多数工作都可由设备或软件自主完成。同时，在应用无人机平台后受测量现场场地和交通等条件限制较少，故测量工作的效率较高[2]。

最后，随着无人机平台、图形处理软件研发单位的不断拓展，整个技术的设备采购成本将呈现出下降趋势，而操作人员的数量也在逐步增加，对技术总体成本的控制有一定的帮助。

4 应用的前期准备阶段

4.1 应用要点

由于农村地区的地形地貌远较城市区域复杂，其区域内不仅有各类农舍、仓库、厂房等建筑物，而且部分建筑物周边还有种植着各类农作物的耕地、林地、鱼塘等非建设用地，甚至在大面积的耕地、林地中存在一栋平时用于堆放生产资料或临时供人居住的仓库管理用房。在应用无人机倾斜摄影技术对农村区域宅基地进行测量时，应当对航拍线路规划和设备进行适当的调试。

4.2 应用方法

首先，飞行线路与飞行高度规划。在农村地区，建筑层数普遍在5层以内，其建筑高度不超过20 m，在平原的农村除去对植被高度有所限制要求，可将飞行器的航行高度控制在约30 m；而在部分丘陵或山区进行航拍摄影，则需要根据测量区域内的地形变化情况适当进行调解，通常情况下，可基于测量区域最高建筑物或植被高度再加上飞行器的安全超高10 m。为了提高丘陵或山区航拍影像的精度，可将测量区域沿平行于等高线方向分为数条带状区域，保证每个带状区域内地形标高较为接近，便可适当降低区域内飞行器的高度设置。飞行线路往往会受到测量区域的面积、飞行高度、成果精度要求等因素的影响，同时，还应满足DH/Z 3004—2010《低空数字航空摄影测量外业规范》要求，通常情况下倾斜摄影测量技术要求摄影图像重复率控制在约50%。

其次，飞行器的选择。目前，无人飞行器平台种类较多，根据结构外形，分为固定翼无人机、多旋翼无人机和无人直升机3大类，不同类型的飞行器在航行高度、滞空时间、飞控系统稳定性、搭载荷载等主要指标上存在较大差异，一般情况下售价越高，专业级的飞行器在上述几项主要指标上的表现就越高于非专业的飞行器。因此，针对不同测量面积、工作时限、测量精度等要求的测量项目，可结合项目实际需求选择最为合适的飞行器平台，从而起到控制项目成本的目的。目前，在农村宅基地测量项目的实际测量工作量较小，采用小型或中型无人机平台便可满足需求，由大疆公司生产的M600型和零度智控公司生产的ZT-3V型无人机则是上述2类无人机的经典机型[3]。

最后，摄像设备选择。通常情况下，无人机倾斜摄影技术中，飞行平台所搭载的摄像设备多为三摄像头至五摄像头的云台式摄像设备，其镜头往往是普通的数码相机镜头，在拍摄过程中，虽然能拍摄到较清晰的影像图片，但其在对农村区域内被植被遮盖的建筑物存量较多，故在对其进行测量时摄像镜头往往会被植被所遮挡，而无人机也无法进入植被内进行航拍作业。鉴于上述情况，可在飞行平台所搭载的数个摄像头中采用近红外摄像头进行替换，从而在航拍过程采集到近红外波段的影像资料，并最终通过后台软件处理得出较为清晰的建筑外轮廓线。

4.3 改进建议

无人机倾斜摄影测量技术是通过安装在飞行器底部倾斜的云台及云台内部镶嵌的摄像头使飞行器在航行过程中采集到机身斜面的影像数据，故云台与摄像头的安装倾斜角与所获得的图像效果有着较为直接的关系。由于农村区域特有的建筑样式和外部环境结构，在对其进行倾斜摄影测量时，飞行器内云台与摄像头的安装倾斜角应当根据测量对象实际情况予以调整（见图1）。

图1中，α为云台的倾斜角；β为摄像头倾斜角；OB为倾斜摄像头拍摄效果最为清晰的视角；AB、BC分别为摄像头的前视角图像和后视角图像。α越小，则在飞行过程中所采集的倾斜图像范围越小、测量对象侧面被建筑物屋檐或植被遮挡的概率越大。项目地区内，建筑与植被高度均不超过15 m，无人机飞行高度被设置为25 m，故将α设置在约45°则即可保证建筑物屋檐或植被枝叶对测量对象的遮盖，又可精简航拍线路。

图1 摄像探头安装角度示意图

5 应用的飞行测量阶段

5.1 技术要点

飞行测量阶段是倾斜摄影测量技术采取测绘数据的关键环节，其图像采集的质量、飞行线路定位精度等因素将直接影响项目的测量精度，而在图像采集和飞行定位的过程中，会被多种外在因素所制约。例如，航拍时，风速过大会导致摄像头出现剧烈抖动；过强的光照直接进入摄像头会造成镜头曝光过度；定位点坐标偏移则会造成航拍线路错误等。

5.2 技术应用

风力和光照条件对于图像采集质量影响较大，通常情况下，中小型的飞行器能够在3级风力的条件下开展作业；部分专业型的固定翼飞行器能够在5级风况下进行作业。为此，进行航拍作业时，应当根据不同设备所能承受的风力等级挑选合适的时机进行航拍。同时，我国多数地区一年中夏秋两季的光照条件明显优于冬春两季，而在每日的12点至14点间光照条件最为充足，此时的阳光多处于直射状态，建筑物和植被所产生的遮挡阴影最少，故可选择此段时间进行航拍工作[4]。

无人机的空中三维坐标（以下简称“空三坐标”）作为后期图形处理软件进行图形拼接的关键数据，其准确性将直接影响测绘精度，空三坐标包括飞行器的经纬度坐标和高度坐标等两大类，故应采取不同的技术手段予以优化。在测量区域内布设水平坐标控制点，布点时，可利用区域内现有的固定标记物进行标记，如果壳箱、建筑物拐角、花坛等拥有2条直线相交的物体，抑或是在现场用油漆、标记钉等进行标记。可采用等距方式进行点位的均匀布设，也可采用对角线布设的样式进行布设。针对部分建筑物或植被密度较大的区域，可适当增加布设点以提高定位精度。待所有控制点布设完成后，便可对其进行坐标和高程的测量。由于我国农村区域内测绘界址点的密度及精度较低，无法满足倾斜摄影技术对坐标精度的要求，故通常采用GPS定位测定布控点的坐标数据。

在正式测量前，可选取部分区域作为实验区，使用无人机对其进行试飞和试航，从而判断所选择的飞行高度和路线是否满足测量精度要求，如出现图像模糊等情形，可适当调整飞行高度和云台与摄像头倾斜角。在航拍数据采集完成后，须在乡村对图像数据进行初步的检测，如发现部分图像不够清晰，可立即对其进行复测。

5.3 改进建议

在采用GPS技术对布控点进行三维坐标定位时，往往会因为定位卫星数据传输不佳、卫星数量较少以及GPS定位精度不高等原因会使布控点的三维精度差强人意，为此，提高布控点坐标精度成为保证倾斜摄影技术测量精度的关键。在我国沿海发达城市，许多城市的规划部门已经建立覆盖全域的GPS-RTK网络，如测量对象所在的城市规划部门能够提供GPS-RTK网络的接入数据，便可在布点时直接引用相关三维坐标数据。在其他未覆盖城市GPS-RTK网络的农村区域进行测量时，可在项目所在地临时布置“局域网”式的封闭坐标体系，在后期数据处理时，采用临时“局域网”坐标系并最终采用多点复核方式对临时“局域网”的三维坐标信息进行复核。

鉴于部分倾斜摄影测量工作是在光照极强的夏季进行，为了避免摄像镜头曝光过度，可选择在每日清晨时分进行航拍作业，同时，在规划飞行路线时，应当始终保持阳光的直射角。在每次飞行结束后，及时填写相关作业报告，所填写的内容应当包括航拍起止时间、气候状况、光照强度、风力风向、飞行高度与线路、云台与摄像头倾斜角等数据信息，以便后期如需对部分区域进行补测时，可参照其中的参数进行设置，从而获得视角与效果接近的图像[5]。

另外，由于近红外摄像头采购成本较高，在部分农作物或植被较为茂盛的农村区域进行测绘，可选择在农作物收割完成后或秋季植被落叶后进行航拍作业，从而大大降低茂密的植被对建筑物的遮挡。

6 应用的后期数据处理阶段

6.1 技术要点

倾斜摄影测量技术在农村宅基地测绘项目中最为重要的成果便是数字划线图，数字划线图作为农村地区不动产权籍调查的主要成果，其制作的精细度会直接影响不动产权籍测量工作质量，也与农户的切身利益息息相关。数字划线图的精度由影像质量、像片控制点精度以及三维模型质量来确定。

6.2 技术应用

通过对航拍阶段的影像进行初步质检可判断其是否满足测绘精度要求，一旦发现图像大面积失焦、画面抖动等问题，应当立即予以补测。同时，由于倾斜摄影技术所采用的云台和摄像头始终与阳光存在一定的夹角，从而会导致不同镜头之间出现一定的光线强度差异，因此，在使用航拍影像数据前，应当对其进行匀光、匀色处理。待影像数据处理完成后便可进行POS数据匹配，其间，要根据航拍登记表上所记录的传感器尺寸、镜头焦距、云台和镜头倾斜角等关键数据进行系统配置，从而得到正确的POS匹配数据。目前，倾斜摄影测量技术的后台软件自动化处理能力较高，待航拍影像资料的POS数据匹配完成后，系统便可自主完成空中三角测量、三维模型及数字划线图的生成。

6.3 改进建议

在软件自主生成数字划线图后，必须人工对数据成果进行核对，核对的内容包括图像要素、图像属性、地籍要素、逻辑关系等。同时，由于无人机在飞行过程中会出现不规则的抖动，从而造成三维模型出现几何形变，需要对建筑物的外围轮廓线进行仔细的校核，尤其是部分建筑密度较大、建筑物互相遮挡问题严重的区域。

鉴于不同工作人员对图形的研判会有固定的思维定式，从而造成研判过程中产生一定的误差，故可安排多位工作人员分别对输出成果进行校核和研判，并最终通过比对不同研判成果之间的差异来进一步修改和完善数字划线图成果。

7 结语

无人机倾斜影像测量技术测量精度高、工作速度快、技术经济指标好等优势已逐步在国土资源测绘领域占据一席之地，而在我国农村宅基地测绘工作中，由于工作任务重、基础数据缺失严重等问题，使无人机倾斜影像测量技术得以崭露头角。通过不断改进技术工艺、研发新型设备，无人机倾斜影像测量技术的工作效率和测量精度必将进一步提高，在农村宅基地测绘领域做出应有的贡献。