【技術】無人機傾斜攝影系統(tǒng)下的 3D 全地籍模型的建立

引言

提出一種全新的三維地籍建立模式，即運用傾斜攝影測量成果開發(fā)三維地籍，并就其發(fā)展和應用及其構建后的優(yōu)勢等幾個方面進行論述。

關鍵詞

傾斜攝影測量技術；三維地籍；三維建模；無人機；地理信息系統(tǒng)

1 傾斜攝影測量技術簡介

多年以來，地形測繪、地理信息等的采集工作無一例外主要采用人工實地采集的操作方式，國家為此投入了大量的人力物力資源，但是這種投入漸漸不能滿足國家發(fā)展的需要，往往丈量工作完畢后，區(qū)域的發(fā)展速度遠遠超過了測繪的速度，極大地浪費了人力物力資源，并且測繪成果也都不能很好滿足現(xiàn)代的生活生產(chǎn)中的需求。隨著科技的發(fā)展，測繪行業(yè)對地理信息數(shù)據(jù)的精確性、時效性要求越來越高，人工成本和時間成本也為行業(yè)帶來了巨大的壓力和負擔。

傾斜攝影測量技術的出現(xiàn)解決了過去傳統(tǒng)的航空遙感圖像只能從垂直方向拍攝并且只能獲取正影像的問題。通過攝像頭傳感器可以從不同的角度收集地面高程及地物表面各種屬性數(shù)據(jù)，從而能夠更真實、更快速地反映地面的客觀情況，同時，高效快速的三維建模極大地滿足了人們對三維信息的需求，具有效率高、成本低、數(shù)據(jù)準確、操作靈活、可獲得輔助信息等優(yōu)勢，極大地滿足了測繪行業(yè)的不同需求，讓各行各業(yè)對三維空間的構想運用能夠快速實現(xiàn)，包括很多學者構想的數(shù)字地球，智慧地球等項目。

完成無人機三維模型數(shù)據(jù)采集后，地籍圖顯示所有宗地圖形與計劃和唯一標識符對應的注冊標題。地籍圖包含圖紙顯示地段布局（土地，建筑，空氣等）的三維數(shù)據(jù)建模。當前可以使用三維數(shù)據(jù)表示三維物體的地理信息系統(tǒng)，同時，也能利用現(xiàn)有二維地籍數(shù)據(jù)進行三維地籍空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的更新。

通過三維畫面與二維數(shù)據(jù)的結合，實現(xiàn)地籍管理的存儲、操作、查詢、分析、更新和可視化是未來地籍測量的發(fā)展趨勢。它將在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，不斷促進土地的集約型利用，不斷調(diào)整土地市場。但是，需要先建立一個完善從數(shù)據(jù)采集到建立三維地籍模型的標準化流程，該模型將對全國的城市規(guī)劃建設產(chǎn)生深遠的影響。

2 三維地籍簡介

在人口密集地區(qū)，人口的增長、城市化和工業(yè)化等人類的生產(chǎn)活動使土地承受著越來越大的壓力。城市地下停車庫、地鐵和高架橋等基礎設施以及日益增多的地下電纜和地下管道設施，都沒有或沒有完全記錄在地圖和地籍圖上，或者說沒有一個合適的平臺讓這些信息能夠完整、正確地呈現(xiàn)出來。這些問題廣泛存在于現(xiàn)有的地籍圖中，導致這些土地的使用者在日常土地使用的產(chǎn)權問題得不到明確的信息，使地籍測量的作用不能充分發(fā)揮。譬如，由于缺乏一些土地使用的完整信息，城市地下交通設施的建設和地下管道的鋪設方案不能很快決定，必須花費大量的人力和物力重新獲取這些信息，并由此不可避免地導致了很多工程事故，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的不便。

3D 地籍屬性數(shù)據(jù)包含了一些在 2D 情況下難以測量的長度、面積和體積等數(shù)據(jù)。若沒有這些數(shù)據(jù)，查詢和空間分析工作無法進行，因為當前數(shù)字地籍數(shù)據(jù)庫（系統(tǒng)）不支持所有的3D 數(shù)據(jù)。一個三維地籍模型的建立，應考慮在以下 3 個主方面：法律（支持 3D 屬性）、機構（建立各方關系）和技術（提供平臺，實現(xiàn) 3D 地籍）。政府必須及時配套明確的法律，制度和技術框架，形成一套標準文件作為三維空間數(shù)據(jù)采集提供法律及制度上的基本保障。

3 三維地籍建立法律層面

3D 房產(chǎn)所有者，例如，公寓單位的業(yè)主有權使用特定的3D 空間，這些三維空間通常位于彼此之間的一個共有地塊或頂部有時延伸超過規(guī)定地塊范圍。為了克服這個問題，一些國家的法律制度，特別是關于財產(chǎn)法、土地法、房地產(chǎn)細分法、土地出讓法等必須不斷完善，以支持登記和三維屬性表示。當然，描繪 3D 地籍的權利、限制和責任是復雜和困難的，需要公眾的積極配合。

在二維地籍中，我國相關法律規(guī)范限制了土地使用者的權利，如土地使用權、地役權和鄰接權基本上都保護土地使用者和利用者的合法權益。然而，在土地的三維使用中，這些相關的土地權利不能充分保護土地使用者的合法權益，因此，三維地籍中使用者的權利應得到法律的保護。

4 三維地籍建立制度層面

法律奠定了土地管理的基礎工作，而地籍則提供了界定財產(chǎn)規(guī)定的權利，定義地籍范圍并進行授權登記。但是對于更加真實的三維地籍，目前沒有產(chǎn)權制度界定第三個維度。那么三維地籍的建立將毫無意義。

3D 地籍的建立需要合理評估適當投入，因此，選擇合適的方法建立三維地籍信息系統(tǒng)是非常重要的。而且由于土地垂直空間的利用主要存在于城市的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等土地利用率較高的地方，并非所有的定居點都需要三維地籍。應根據(jù)我國的實際情況，制定相關制度通過采用三維和二維相結合的方法進行構建。隨著國民經(jīng)濟和社會的進一步發(fā)展，應讓三維地籍在今后逐步完善入庫，形成一個概念機構，從而使公共部門和私營部門能夠共同分享數(shù)據(jù)成果，達成共識的概念和三維地籍的發(fā)展原則。這些包括測量師、地籍測量師登記冊、土地注冊處、地方政府、開發(fā)商協(xié)會和業(yè)主協(xié)會等眾多部門的合作。其次，概念機構提供了一個統(tǒng)一的三維地籍概念，例如，公寓、3D 所有權、3D 財產(chǎn)、多層建筑、高層建筑、復雜建筑等的三維地籍測量及數(shù)據(jù)入庫的規(guī)定。

5 三維地籍建立技術層面

三維地籍技術需要使用合適的計算機繪圖軟件及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行三維地籍。科技進步提高了地籍測量的工作效率。

現(xiàn)今，GIS 等空間分析系統(tǒng)把更多的應用程序應用在地籍測量系統(tǒng)中，并且提供了相應的地籍數(shù)據(jù)分析與查詢功能。如百度地圖、谷歌 SketchUp、AutodeskMap3D。未來三維地籍將通過開發(fā)三維 CAD、3DGIS、3D 數(shù)據(jù)庫等，這些程序將提供三維繪制、更新、分析和可視化功能。此外，應注意的是，目前的二維地籍數(shù)據(jù)也是必不可少的，是通過大量的時間和金錢獲得的。因此，重要的是要利用當前的二維地籍數(shù)據(jù)進一步進行三維地籍的開發(fā)及運用。

三維地籍數(shù)據(jù)采集可以根據(jù)使用目標進行分類，并不是所有的對象都需要建立三維地籍數(shù)據(jù)。首先規(guī)定何種類型的地籍對象需要進行三維收集，例如，建筑物，管道，隧道等，然后規(guī)定這些對象的三維數(shù)據(jù)捕獲的方法，可以采取土地測量、航空攝影測量、激光掃描、無人機傾斜攝影系統(tǒng)等方法進行三維數(shù)據(jù)的采集工作。如圖 1 所示。

▲圖 1 三維地籍數(shù)據(jù)模型的發(fā)展

結合以上分析，三維建模一直是三維地籍測量的最大阻礙，但是無人機傾斜攝影的出現(xiàn)有效解決了這個問題。當前，需要通過結合傳統(tǒng)的攝影測量技術提高測量精度。三維模型的位置精度評估是通過比較加密點和檢查點的精度來測量的。這 就導致了在控制點周圍相對平坦的區(qū)域測量精度比較高。 在角、墻線和陡坎等幾何特征發(fā)生巨大變化的地方，模型采樣點的誤差相對較大，測量精度測量的可靠性降低，可以采用組合圖像操作獲得最終結果向量或模型數(shù)據(jù)用于比較，也可以采用二維與三維結合的方法，讓二維的高精度來彌補傾斜攝影測量中的精度不足。

6 結語

此項技術也有它的不足之處，在匹配傾斜航空攝影后期數(shù)據(jù)影響的過程中，由于不一致的攝影比例、分辨率的差異以及傾斜影響造成的地面物體遮擋，在獲得的數(shù)據(jù)中存在許多嚴重誤差甚至是區(qū)域不能采集等問題，嚴重威脅了圖像的后續(xù)三維精度及建模質(zhì)量。相信在科學技術的高速發(fā)展的今天，這些問題一定都能夠得到解決。

土地的三維開發(fā)利用是解決土地資源短缺的必然選擇，對我國尤為重要。因此，開展三維地籍管理及相關技術的研究勢在必行。由于地籍管理不是一個純粹的技術問題，它涉及系統(tǒng)、法律、經(jīng)濟、組織等許多方面，尤其需要市政府相關主管部門的共同參與，因此，應盡快提出應對這一趨勢的措施。

來源：《工程建設與設計》 作者：周靜、冉雪云