【技术】无人机倾斜摄影系统下的 3D 全地籍模型的建立

引言

提出一种全新的三维地籍建立模式，即运用倾斜摄影测量成果开发三维地籍，并就其发展和应用及其构建后的优势等几个方面进行论述。

关键词

倾斜摄影测量技术；三维地籍；三维建模；无人机；地理信息系统

1 倾斜摄影测量技术简介

多年以来，地形测绘、地理信息等的采集工作无一例外主要采用人工实地采集的操作方式，国家为此投入了大量的人力物力资源，但是这种投入渐渐不能满足国家发展的需要，往往丈量工作完毕后，区域的发展速度远远超过了测绘的速度，极大地浪费了人力物力资源，并且测绘成果也都不能很好满足现代的生活生产中的需求。随着科技的发展，测绘行业对地理信息数据的精确性、时效性要求越来越高，人工成本和时间成本也为行业带来了巨大的压力和负担。

倾斜摄影测量技术的出现解决了过去传统的航空遥感图像只能从垂直方向拍摄并且只能获取正影像的问题。通过摄像头传感器可以从不同的角度收集地面高程及地物表面各种属性数据，从而能够更真实、更快速地反映地面的客观情况，同时，高效快速的三维建模极大地满足了人们对三维信息的需求，具有效率高、成本低、数据准确、操作灵活、可获得辅助信息等优势，极大地满足了测绘行业的不同需求，让各行各业对三维空间的构想运用能够快速实现，包括很多学者构想的数字地球，智慧地球等项目。

完成无人机三维模型数据采集后，地籍图显示所有宗地图形与计划和唯一标识符对应的注册标题。地籍图包含图纸显示地段布局（土地，建筑，空气等）的三维数据建模。当前可以使用三维数据表示三维物体的地理信息系统，同时，也能利用现有二维地籍数据进行三维地籍空间数据库管理系统的更新。

通过三维画面与二维数据的结合，实现地籍管理的存储、操作、查询、分析、更新和可视化是未来地籍测量的发展趋势。它将在社会经济发展中发挥越来越重要的作用，不断促进土地的集约型利用，不断调整土地市场。但是，需要先建立一个完善从数据采集到建立三维地籍模型的标准化流程，该模型将对全国的城市规划建设产生深远的影响。

2 三维地籍简介

在人口密集地区，人口的增长、城市化和工业化等人类的生产活动使土地承受着越来越大的压力。城市地下停车库、地铁和高架桥等基础设施以及日益增多的地下电缆和地下管道设施，都没有或没有完全记录在地图和地籍图上，或者说没有一个合适的平台让这些信息能够完整、正确地呈现出来。这些问题广泛存在于现有的地籍图中，导致这些土地的使用者在日常土地使用的产权问题得不到明确的信息，使地籍测量的作用不能充分发挥。譬如，由于缺乏一些土地使用的完整信息，城市地下交通设施的建设和地下管道的铺设方案不能很快决定，必须花费大量的人力和物力重新获取这些信息，并由此不可避免地导致了很多工程事故，给人们的生产生活带来了极大的不便。

3D 地籍属性数据包含了一些在 2D 情况下难以测量的长度、面积和体积等数据。若没有这些数据，查询和空间分析工作无法进行，因为当前数字地籍数据库（系统）不支持所有的3D 数据。一个三维地籍模型的建立，应考虑在以下 3 个主方面：法律（支持 3D 属性）、机构（建立各方关系）和技术（提供平台，实现 3D 地籍）。政府必须及时配套明确的法律，制度和技术框架，形成一套标准文件作为三维空间数据采集提供法律及制度上的基本保障。

3 三维地籍建立法律层面

3D 房产所有者，例如，公寓单位的业主有权使用特定的3D 空间，这些三维空间通常位于彼此之间的一个共有地块或顶部有时延伸超过规定地块范围。为了克服这个问题，一些国家的法律制度，特别是关于财产法、土地法、房地产细分法、土地出让法等必须不断完善，以支持登记和三维属性表示。当然，描绘 3D 地籍的权利、限制和责任是复杂和困难的，需要公众的积极配合。

在二维地籍中，我国相关法律规范限制了土地使用者的权利，如土地使用权、地役权和邻接权基本上都保护土地使用者和利用者的合法权益。然而，在土地的三维使用中，这些相关的土地权利不能充分保护土地使用者的合法权益，因此，三维地籍中使用者的权利应得到法律的保护。

4 三维地籍建立制度层面

法律奠定了土地管理的基础工作，而地籍则提供了界定财产规定的权利，定义地籍范围并进行授权登记。但是对于更加真实的三维地籍，目前没有产权制度界定第三个维度。那么三维地籍的建立将毫无意义。

3D 地籍的建立需要合理评估适当投入，因此，选择合适的方法建立三维地籍信息系统是非常重要的。而且由于土地垂直空间的利用主要存在于城市的商业区、居民区、工业区等土地利用率较高的地方，并非所有的定居点都需要三维地籍。应根据我国的实际情况，制定相关制度通过采用三维和二维相结合的方法进行构建。随着国民经济和社会的进一步发展，应让三维地籍在今后逐步完善入库，形成一个概念机构，从而使公共部门和私营部门能够共同分享数据成果，达成共识的概念和三维地籍的发展原则。这些包括测量师、地籍测量师登记册、土地注册处、地方政府、开发商协会和业主协会等众多部门的合作。其次，概念机构提供了一个统一的三维地籍概念，例如，公寓、3D 所有权、3D 财产、多层建筑、高层建筑、复杂建筑等的三维地籍测量及数据入库的规定。

5 三维地籍建立技术层面

三维地籍技术需要使用合适的计算机绘图软件及数据库管理系统执行三维地籍。科技进步提高了地籍测量的工作效率。

现今，GIS 等空间分析系统把更多的应用程序应用在地籍测量系统中，并且提供了相应的地籍数据分析与查询功能。如百度地图、谷歌 SketchUp、AutodeskMap3D。未来三维地籍将通过开发三维 CAD、3DGIS、3D 数据库等，这些程序将提供三维绘制、更新、分析和可视化功能。此外，应注意的是，目前的二维地籍数据也是必不可少的，是通过大量的时间和金钱获得的。因此，重要的是要利用当前的二维地籍数据进一步进行三维地籍的开发及运用。

三维地籍数据采集可以根据使用目标进行分类，并不是所有的对象都需要建立三维地籍数据。首先规定何种类型的地籍对象需要进行三维收集，例如，建筑物，管道，隧道等，然后规定这些对象的三维数据捕获的方法，可以采取土地测量、航空摄影测量、激光扫描、无人机倾斜摄影系统等方法进行三维数据的采集工作。如图 1 所示。

▲图 1 三维地籍数据模型的发展

结合以上分析，三维建模一直是三维地籍测量的最大阻碍，但是无人机倾斜摄影的出现有效解决了这个问题。当前，需要通过结合传统的摄影测量技术提高测量精度。三维模型的位置精度评估是通过比较加密点和检查点的精度来测量的。这 就导致了在控制点周围相对平坦的区域测量精度比较高。 在角、墙线和陡坎等几何特征发生巨大变化的地方，模型采样点的误差相对较大，测量精度测量的可靠性降低，可以采用组合图像操作获得最终结果向量或模型数据用于比较，也可以采用二维与三维结合的方法，让二维的高精度来弥补倾斜摄影测量中的精度不足。

6 结语

此项技术也有它的不足之处，在匹配倾斜航空摄影后期数据影响的过程中，由于不一致的摄影比例、分辨率的差异以及倾斜影响造成的地面物体遮挡，在获得的数据中存在许多严重误差甚至是区域不能采集等问题，严重威胁了图像的后续三维精度及建模质量。相信在科学技术的高速发展的今天，这些问题一定都能够得到解决。

土地的三维开发利用是解决土地资源短缺的必然选择，对我国尤为重要。因此，开展三维地籍管理及相关技术的研究势在必行。由于地籍管理不是一个纯粹的技术问题，它涉及系统、法律、经济、组织等许多方面，尤其需要市政府相关主管部门的共同参与，因此，应尽快提出应对这一趋势的措施。

来源：《工程建设与设计》 作者：周静、冉雪云