基于倾斜摄影的三维建模技术在不产调查测绘中的应用研究

基于倾斜摄影的三维建模技术在不产调查测绘中的应用研究

吴曼，陈永健，姜杰

（湖北煤炭地质物探测量队，湖北，武汉）

摘要：阐述无人机倾斜摄影测量技术，解决传统测量技术的局限性，高成本低效率等实际问题，通过论证表明，模型精度用三维建模技术可以突破传统测量技术实现在不动产调查测绘中的应用问题。

关键词：倾斜摄影测量；三维建模；不动产测绘；模型精度

1引言

传统的农村房地一体测绘无法保证项目的整体进度且项目成本高，测绘难度大也容易出现误差，采用无人机倾斜摄影技术能够提升不动产各位置的精度与效率，在这种情况下，能够用快速、高效的方式完成房地一体测量工作实现测绘行业的飞跃进步，从此倾斜摄影三维建模测量技术成为测绘行业里值得研究的新方向^[1]。

2无人机倾斜摄影测量技术

图1 无人机倾斜摄影技术

倾斜摄影测量技术在国内发展时间不长，是近些年来才发展起来的一项新技术，借助飞行平台搭载多方位传感器、POS系统，同时从垂直、前、后、左、右五个不同角度采集影像，并记录拍摄瞬间的航速、航高、航向、旁向及航向旁向重叠度等信息。利用得到的影像数据通过PIX4d、ContextCapture三维建模软件生成真实的现实场景，可以获得精度较高的DOM、DEM、DSM、DLG等数据产品^[2]，在模型上可以精确获取实体的长度、面积、高度、纹理等信息。

图2 三维倾斜摄影相片

倾斜摄影测量技术与传统测量技术的优势与不足如下：

优势：

（1）精度高

（2）生产效率高

（3）节约人力成本

（4）纹理信息更加丰富

劣势：

（1）在地形起伏比较大遮挡物比较多时，还需借助传统测量方式

（2）倾斜摄影存在较多的不稳定因素

3 外业飞行方案设计

无人机是一种无人飞行平台，主要是使用无线电技术，通过控制站发出信号命令完成相应的动作。几乎每台无人机都有机身自身的缺点，比如固定翼无人机，操作系数高，并且起飞对于场地的要求也极高，危险系数也很高，但是优点就在于续航时间非常长，很适合大面积作业。多旋翼无人机操作起来比较简单，在任何场合都可以起飞，并且可以支持垂直起降，是比较安全的，但其缺点就是只能够短时间飞行，效率较低^[3]。

航线规划是获取影像的前提，根据测区内的实际情况进行航线规划设计，设置符合测区实际的影像重叠度和飞行高度参数，然后利用无人机根据设计好的航线来获取区域影像。

表1 无人机参数指标

指标	参数
飞行高度	70m
分辨率	0.01m
镜头焦距	等效35mm
图像尺寸	6000×4000
航向重叠度	85%
旁向重叠度	75%
POS	无人机机载POS

4 地面像控点布设及坐标系统选择

为了保证后期三维模型的成果精度，根据航飞路线的设定和实验区域的布设密度，在测区的角部以点组的形式布设像控点，在四周均匀布设像控点，在内部共布设30个地面控制点，同时利用GPS RTK获取了控制点的三维坐标，在实际测量工作中根据不动产分布情况进行了控制点选择^[4]。

选择CGCS2000国家大地坐标系，并采用CORS作为量取地面控制点的方法。

5 实景三维建模技术

倾斜摄影测量三维模型生产流程如图所示。

图3 三维建模流程图

三维建模技术得以依赖于外业与内业的结合，主要步骤分为：

1. 影像匹配。建立不同相片之间的链接关系称为影像匹配，也就是说通过建立特征关系对拍摄相片进行整合，现在影像匹配大范围使用的算法是SIFT算法（scale invariant feature tranform）,具有较快的运算速度和较好的抗噪声性能特征。可分为三个阶段，第一阶段：检测图像；第二阶段：生成特征描述符，第三阶段：特征向量的匹配。

（2）空中三角测量。空中三角测量包括特征点提取和光束法区域网平差，利用POS提供的多视影像的外方位元素作为初始值，采用ASIFT^[5]来进行多影视的特征点匹配，以获取不同影像之间的连接点。目前无人机倾斜摄影测量内业数据处理，一般采用光束法区域联合平差，也称为联合平差。利用试验区的像点坐标结合地面控制点，平差计算会得到连接点的地面坐标和多视影像的外方位元素。利用PIX4D进行空三解算，会得到一次空三解算结果，针对出现空三数据不符合要求的情况，通过添加连接点或者删除不符合要求的数据再次进行空三解算，会得到更加精确的结果。

（3）三维建模^[6]。三角测量之后进行三维建模，根据空三解算出来的外方位元素建立，系统根据影像的匹配算法，自动匹配同名点，在影像中提取更多的特征点构成密集点云，建立的影像之间的关系建立三角TIN，三角网的大小和密集程度还和地物复杂程度有关，再生成白模，软件会自动计算出模型所对应的纹理，将纹理映射到白膜上完成实景三维模型的重建。

图4 PIX4D三维建模成果图

6 EPS地形图数据采集

清华山维EPS地理信息工作站简称EPS，可以导入三维模型可进行地形图生产处理，不动产测绘主要对象是房屋、围墙、阳台及其他附属设施。将PIX4D生成的三维模型加载到EPS中，直接在三维模型上进行矢量化^[7]处理，房屋采用五点房^[8]或线划的方式进行绘制，绘制的同时添加房屋层数、结构、名称等属性录入，最后标上文字注记，也对建筑物及周围地面进行高程标高。

图5 数据采集成果

7 模型精度分析与评估

倾斜摄影测量具有诸多优势，但是能否应用到农村房地一体测量调查当中，需要进行研究验证。验证的主要内容是采集之后的DLG是否符合农村地籍测量成果的精度要求。《地籍调查规程》（TD/T 1001-2012）中要求：图根点、界址点、相邻地物的点位中误差不超过5cm，限差不超过10cm；隐蔽点的界址点允许中误差为7.5cm,限差15cm。以GPS-RTK测量数据作为真值，对试验区内的房角点、墙角点、道路拐角点等特征点进行量测，将量测的结果套合到DLG成果数据上。将DLG-RTK的测量数据当作真值，对由EPS采集出来的DLG进行精度验证。采集到的具体坐标数据如下所示。用如下公式计算点位中误差^[9]。

式中，n为检核点的个数

在本次实验项目中，随机选取湖北省阳新县作为实地测验区，测区面积约4.9万宗地农房,房屋主要以2-3层为主分布相对集中，通过实地采集倾斜摄影测量数据进行建模处理，获取农房DLG成果数据，机选取13个核检点，验证DLG精度，点位中误差为0.036cm，符合《地籍调查规程》的精度要求。

表2 根据GPS-RTK与DLG计算点位差

＊表格数据已作加密处理

8 总结

本次探究无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体地籍测量中的应用，解决传统测绘低效率、周期长、成本高等缺点。最后以湖北省阳新县农村区域为实验区域，得出精度结果，进行精度验证，符合地籍测绘精度要求。

参考文献：

[1]袁晓鑫. 无人机大比例尺测图技术及应用研究[D].安徽理工大学,2019.

[2]孙亮. 无人机航摄系统测绘大比例尺地形图的精度分析[D].昆明理工大学,2017.

[3]柳静. 无人机倾斜摄影测量三维模型绘制大比例尺地形图精度研究[D].西安科技大学,2018.

[4]赵元务. 无人机倾斜摄影测量在农村房地一体测量中的应用研究[D].西安科技大学,2018.

[5]冯冲. 无人机在大比例尺地形图测绘中的应用与分析[D].北京建筑大学,2017.

[6]曹宁.无人机倾斜摄影测量技术在大比例尺测图中的应用及精度评价[J].测绘与空间地理信息,2020,43(08):174-176.

[7]徐万生.倾斜摄影测量在农村“房地一体”调查中的应用[J].智能城市,2019,5(14):96-97.

[8]曾荣华.无人机倾斜摄影测量在农村房地一体中的应用研究[J].城市建设理论研究(电子版),2018(36):97.

[9]《地籍调查规程》（TD/T 1001-2012）

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