基于无人机倾斜摄影的农村“房地一体”测量技术研究

王建超，陈学彬，王重天，陈佳利

(1.常州市不动产登记交易中心武进分中心，江苏 常州 213159；2.江苏省地质测绘院，江苏 南京 211102；3.常州市测绘院，江苏 常州 213159)

0 引言

为促进农村可持续发展，深化农村土地制度改革，支撑和保障人民群众合法权益[1]，结合国家实施不动产登记制度的要求，国家积极推动农村宅基地、集体建设用地及其地表房屋等建筑物、构筑物的不动产测量及权属调查工作[2]。传统外业测量方法主要使用全站仪和RTK，精度高，满足地籍、房产测绘规程要求，但工作效率低、成本高，难以满足大范围测量、短时间高频度更新需求。农村居民点宅基地分布分散，权籍调查中的“房地一体”测绘工作要求高、任务重，传统测量作业方式应用大范围的农村不动产测绘明显影响了工作效率。

鉴于以上存在的问题，目前有些地方探索使用新装备、新技术来高效完成农村不动产测量工作，在测绘生产中采用无人机倾斜摄影技术进行农村地区大范围“房地一体”测绘数据采集具有诸多优势，可以解决大部分房屋界址点的测量，部分界址点精度甚至优于传统测量方式，很好地解决了传统作业方法成本高、工作量大、时间长的问题；而且利用无人机倾斜摄影测量成果重建的三维实景模型进行“房地一体”测绘，具有现势性好、成本低、效率高等特点；本文论述了无人机载倾斜摄影三维建模进行不动产测绘数据采集技术流程，尝试利用其进行常州市庙桥村宅基地1∶500房产、地籍测绘生产实践，并进行精度评定，检验结果表明该技术显著提高外业生产效率，且成图精度也符合国家地籍、房产技术规范要求。

1 机载倾斜摄影测量机理及技术流程

无人机倾斜摄影测量技术系统集成无人机飞行平台、摄影测量和 GPS/IMU 系统[3]。通过一个垂直、4个倾斜、5个不同的视角同步采集影像，并且利用定位定向系统获取影像的位置、姿态信息，全方位地获取被测地物影像数据，得到丰富的地物顶面与侧视的高分辨率纹理，高精度地获取真实反映地物情况纹理信息，并通过先进的卫星定位、大数据融合、三维模型构建等技术，生成实景三维模型[4]；将实景三维模型导入模型测图软件中，按1∶500地籍、房产图精度要求，完成全要素矢量化采集，汇集需补测的区域提交给外业利用传统方式进行补测调绘，最终获得符合精度要求的测绘成果。本文根据无人机倾斜摄影测量的技术特点，结合农村大规模开展不动产调查测绘的要求，制订技术流程如图1所示，通过科学有效的技术流程，优化建模软件，改善高精度建模技术，获取高精度三维实景模型，运用模型采集矢量数据，解决传统测量作业方式变更测绘时效性差、长周期、高成本的问题。

图1 技术流程

2 关键技术

2.1 作业仪器设备确定

无人机平台采用大疆M600六旋翼无人机，使用A3飞控进行导航和控制。大疆M600六旋翼无人机，飞行载重6 000 g，悬停精度垂直0.5 m，水平1.5 m，飞行速度18 m/s，最大飞行高度2 500 m，飞控系统型号A3，采用6块独立智能电池，续航时间约30 min。

传感器采用睿铂DG3倾斜摄影系统，为5镜头吊舱，相机型号为索尼ILCE-5100，下视镜头使用27.6 mm焦距，4个倾斜相机镜头使用40 mm焦距,像幅23.5 mm×15.6 mm(尺寸6 000×4 000像素，有效像素2 430万),像元分辨率0.003 92 mm。4个倾斜镜头分别命名为“A”“W”“D”“X”镜头，下视镜头命名为“S”。

2.2 航线规划

2.2.1 航高确定

飞行高度关系到飞行安全和数据采集质量，是无人机倾斜摄影航线规划的基础；根据分区地形起伏和飞行安全条件等确定分区基准面高度，在地形图上选择高程点计算分区平均平面高程公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：h基为摄影分区基准面高程；h高平均为分区内高点平均高程；h低平均为分区内低点平均高程。

结合航拍摄像机的性能和地面分辨率的需求，按照公式(4)确定航高：

H=f×GSD/a

(4)

式中：H为航高；f为焦距；GSD为地面分辨率；a为像元尺寸。

2.2.2 航线敷设

航线常规采用井字型航线，根据倾斜摄影精度要求及实地高程情况，合理确定航线间隔及航高。为保证摄区边界完全覆盖，平行于摄区边界线的首未航线，敷设在摄区边界线外；航线规划需考虑总航程、总航飞时间、摄影总面积、当天风力及风向、飞行平台电池容量等因素；航线旁向重叠应超出摄影区边界大于50%像幅，旁向重叠高于 70%，航向重叠应起码超出 2～3条基线[5]；航摄像主点展点如图2所示。

图2 测区航线、像主点与像控点点位

2.3 航摄数据处理与三维实景模型构建

本文利用Smart3D软件处理航摄数据，获得满足1∶500空三精度要求的解算结果，最后利用该软件进行实景模型构建。

2.3.1 航摄数据处理

初始航摄影像是无序的，为能与空间对应，并构建接近真实状态的实景模型，需进行空三解算操作；空三解算主要通过影像匹配提取的连接点以及部分地面控制点，将全部区域纳入已知的控制点地面坐标系中，获得每张影像的外方位元素和加密点的地面坐标[6]。解算前需外业补测像控点和像控检查点，在软件中，空三加密为全自动解算过程，导入POS数据和影像数据后进行空三加密，提取与匹配特征进行平差，通过平差优化，从而对相机的内方位进行优化，再利用像控点信息进行二次加密；通过优化相机参数、定位数据、影像质量等提高解算精度[7]，解算完成后，成果可视化显示如图3所示。

图3 空三加密可视化结果

2.3.2 三维实景模型构建

由于影像数据量大，整体建模易受计算机性能不足影响，所以利用Smart3D建模软件先将大块数据进行分块处理；分块后按照生成密集点云->构建三角网模型->纹理映射3个步骤进行模型重建；根据空三解算的影响外方位元素，进行多视影像密集匹配，检索影像上的特征点、线确定二维矢量数据，再通过映射、滤波、融合等处理生成密集点云。以匹配的线元素作为限制条件，构建三角网曲面，利用三角网曲面曲度变化来简化模型数据并封装，构建三维白膜模型；最后通过纹理映射，对白模膜型进行贴图[8]，获得实景模型如图4所示。

图4 测区三维实景模型

2.4 房、地矢量数据采集

利用北京山维科技EPS测图软件加载OSGB格式实景模型数据，在其基础上二三维联动裸眼模式进行数据采集；EPS支持多窗口、二三维联合工作、直接提取轮廓线，并能够精准反映测区建筑的数据，极大地提高数据采集精度和效率，降低个人失误；采集界面如图5所示，采集过程需注意以下问题。

图5 测区三维模型测图界面

(1)将视图切换到正射模式或切片模式下采集。

(2)采集房屋时首先要在三维模式下查看房屋结构，阳台要单独采集。当房屋的每条边线都能看清时，可以直接使用画线工具；当房屋的个别边线或房角看不清时，可以使用“按边采集”工具采集，在不确定的房角处做好标记，以便外业核查。

(3)采集点状地物时，在正射模式下要采集到地物的几何中心位置，可以在切片模式下通过调整模型的高度来获取最佳位置。

(4)测图时按中心线量测宽度不依比例尺的线状地物，一般量测符号宽度依比例尺表示的地物边线。

(5)采集地物尤其是居民地要素时要注意要素之间的拓扑关系。

(6)测图一般以图幅为单位，或者以路或河为界线。

(7)房角为内凹房角，或是不好辨识，而墙面平整完好，查看房屋拐角处模型是否完整，利用自动垂直角点辅助线来进行检验与矫正误差，控制端点之间的最大误差在3 cm之内。

为保证数据采集的精细度，工作人员做好采集全过程的质量控制，需要对信息采集每一个细节进行检核，确保各环节都能够规范要求完成，某一个环节出现问题，都可能导致地籍、房产的测量精度不达标。

3 应用实例

3.1 测区概况

本次测区庙桥村位于常州市南夏墅街道东部，东临礼嘉镇，南靠前黄镇、夏城路穿村而过，贯穿南北，全村总面积约2.0 km2，为平原地区，地势平坦，平均海拔5 m左右，设17个自然村、30个村民小组，共1 092户，常住人口3 665人。

3.2 模型测图流程

为验证无人机倾斜摄影技术应用于农村“房地一体”测绘的可行性，设计研究区的测图流程主要是：区域确定与资料准备→外业踏勘→航线规划→作业实施→数据采集→内业数据处理及建模→房、地矢量数据采集→检查与成图建库；最后将内业模型测图数据与 RTK全站仪解析法实测数据叠加，进行高程、平面精度检测。

3.2.1 外业踏勘

开展测区资料收集、分析，进行采集设备飞行器信息、人员信息登记；利用收集好的地图数据，进行实地踏勘，对采集区域内较高的楼层在地图上做好标记，以便在外业线路规划中可以对飞行高度进行合理安排。提前规划基站位置、飞行路线，尽量保证飞行安全。在踏勘过程中，与业主及当地公安部门进行项目备案，与涉及重点单位进行沟通。

3.2.2 数据采集

本次测区航高：135 m；地面分辨率：0.02 m。像片重叠度：旁向70%左右，航向80%；航线弯曲度：小于3%；像片倾斜角：小于2°；旋偏角：小于7°。影像质量：颜色饱和无云影，色彩均匀清晰，层次丰富反差适中[9]。

3.2.3 内业数据处理及建模

内业根据作业范围选取像控点位，平均间距约为200 m，利用RTK进行外业施测；CORS系统进行实时差分，飞行器中记录的POS即是已经解算后的结果，无需再次解算。解算完成后采用TerraSolid软件进行质量检查，检查内容包括以下几点。

(1)是否覆盖整个测区。

(2)航带之间是否有不小于70%的重叠，是否有遗漏。

(3)航带拼接是否满足后期数据处理要求，误差需控制在0.05 m以下，大于0.05 m时，返回数据预处理重新解算。

将质检后的数据导入Smart3D建模软件，进行空三解算与建模，获得棱角分明、纹理清晰，模型完整的测区三维场景。

3.2.4 三维模型测图

测区三维模型成果导入EPS软件，判断地物的真实位置及结构特征，并通过人机交互的切片工具，准确捕捉建筑的每一个房角点，获取建筑的各层结构轮廓，二三维联动裸眼模式绘制地籍图，采集过程不能混淆房屋与房檐边线，对未拍到的房角拐点，通过倒角来计算拐点坐标，或进行外业补测；地籍图成果导出为dwg格式并进行质检。质检通过并经外业复核合格后，对地籍图进行分层处理来采集房产图数据；由于阳台、走廊等是否封闭关系到房屋的权属面积计算，需再结合调查照片识别阳台、走廊、露台、飘楼等房屋附属结构并判断开闭状态，测区部分采集成果如图6所示。

图6 局部地籍、房产测绘成果

3.3 精度分析

3.3.1 界址点点位精度分析

本实例检验了从无人机倾斜摄影、像控采集、空三加密、实景三维建模、三维模型测图技术流程的可行性，外业采用RTK全站仪实测检验了内业模型测图成果精度。航摄常州市武进区庙桥村测区，共检查平面点位30个，高程点位30个，检查点平面位置中误差为0.035 9 m，最大误差为0.088 m；高程最大误差为0.068 m，中误差为0.028 2 m；点位精度满足1∶500权籍图成图精度要求[10]。点位建模精度如图7所示。

注：ΔX、ΔY、ΔDS为检查点位模型与实测平面位置偏差值；ΔZ检查点位模型与实测高程偏差值。

3.3.2 边长精度分析

为了检验模型测图边长精度，随机选取了 30户，利用测距仪实地量测边长，与模型采集的边长数据进行边长精度评定，计算结果如图8；高精度量测了 30条房屋界址边长的最大残差0.054 m，最小残差0.007 m，边长中误差0.023 m，案例测量边长精度符合了二级精度指标要求。

注：Δd模型边长与实测边长偏差值。

利用无人机倾斜摄影进行二三维房地一体化采集不动产测量数据的方法，高度的实用性和灵活性，整体边长精度中误差在2～3 cm。成果成图精度能够满足1∶500不动产权籍图成图的要求，整体效率和精度优于传统测量方式。平面精度75%左右在4 cm以下，部分误差高于4 cm，主要由于房屋周边遮挡导致模型效果差，或内业人员测图经验不足等因素影响，导致采集精度不高。所以，模型质量的好坏和内业人员的质素直接影响成图的精度。在绘制过程中，通过统一人员规范标准、保证建筑物模型边角线平直无弯曲、整体无变形拉花，来提高采集精度。

4 结语

本文以江苏省常州市农村“房地一体”项目为导向，研究利用无人机倾斜摄影技术开展农村“房地一体”测绘成果生产，并以常州市武进区庙桥村1∶500农村不动产图测量为例，分析了测绘成果所能达到的精度水平。测试结果表明，此次实施的技术流程可有效实现农村不动产建模和量测，点位平面及高程精度达到了相关规范成图精度要求[11]，该技术流程可行，不动产测绘成果已应用于当地不动产登记颁证工作。

该技术为农村不动产调查登记颁证工作提供了精准服务，通过内业采集高程，避免外业房檐改正、极大减少外业工作，提升了整体工作效率，同时还得到了高分辨率实景三维模型、DOM等。有效解决了传统方式周期长、成本高、效率低和变更测绘时效性差的问题，还可基于实景三维农房不动产成果，搭建不动产三维应用系统，基于三维空间数据进数据挖掘、数据展示与应用服务，为三维化“自然资源一张图”空间数据建设奠定基础。

轻便、高效、低成本、高分辨率且自动化处理技术越来越成熟的无人机倾斜摄影技术，非常适合农村不动产建筑结构多样、分布碎片化的特点，在农村不动产测绘生产中，充分发挥优势，减轻测绘人员的外业工作强度，提升测绘效率，有效补充传统房产、地籍测绘手段；同时在国土安全、工程建筑测量、城市管理、灾害监测与环境监测等领域，具有良好的应用、推广价值。