全景真三維技術(shù)在城中村改造中的應(yīng)用

王進(jìn)，侯定琴，何濤，張旻

(1.武漢華正空間軟件技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223； 2.銅仁市自然資源局，貴州 銅仁 554300)

1 引 言

按照中央城市工作會(huì)議的戰(zhàn)略部署，我國要全面提高新型城鎮(zhèn)化水平，走出一條中國特色城市發(fā)展道路，力爭到2020年基本完成現(xiàn)有城鎮(zhèn)棚戶區(qū)、城中村和危房改造，推進(jìn)城市綠色發(fā)展。其中，城中村改造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及土地權(quán)屬變化、城市空間規(guī)劃調(diào)整和優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)配置提升以及農(nóng)民市民化等一系列問題，而準(zhǔn)確、客觀、公正、高效地評(píng)估拆遷面積更是城市中改造的核心問題，是城中村改造工程是否順利實(shí)施的關(guān)鍵因素。

近年來，隨著真三維建模技術(shù)的不斷進(jìn)步[1～4]，通過自動(dòng)化快速建立三維模型后再通過算法統(tǒng)計(jì)拆遷面積的應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)。通過航空影像立體像對(duì)[7]等為數(shù)據(jù)源可實(shí)現(xiàn)城中村三維建模并統(tǒng)計(jì)城中村建筑面積的方法取得了很好的效果，但由于人工量太大，建模時(shí)間較長，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大制約。隨著傾斜航空攝影技術(shù)和真三維建模技術(shù)的普及，依托實(shí)景真三維自動(dòng)化建模技術(shù)快速還原城中村三維現(xiàn)狀[8]，在三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上后期量測(cè)提取相關(guān)土地和建筑面積指標(biāo)的方法已被廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

基于傾斜攝影真三維建模技術(shù)大多采用匹配算法實(shí)現(xiàn)的，常見的有ContextCapture、Smart3D、StreetFactory等軟件，這些軟件自動(dòng)化程度高，但由于匹配結(jié)果的不確定性和隨機(jī)性，導(dǎo)致匹配出來的三角網(wǎng)不能滿足高精度地物結(jié)構(gòu)定位精度的要求，如張平、劉怡、蔣紅兵在“基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評(píng)定”中提到三維模型成果中存在某些區(qū)域無法構(gòu)建三角網(wǎng)，致使三維模型缺失或失真等問題[9]。由于三維模型的變形和失真，導(dǎo)致在拆遷分析計(jì)算時(shí)偏差很大，這些都會(huì)造成拆遷分析中建筑面積精度不高的問題。

3 技術(shù)路線

本方案采用的全景真三維技術(shù)可以充分結(jié)合多角度傾斜攝影和機(jī)載激光掃描等多傳感器航測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用有人機(jī)、無人機(jī)等飛行器獲取多傳感器數(shù)據(jù)源，通過創(chuàng)新型的攝影測(cè)量融合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)快速處理的自動(dòng)化真三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)[5，6]，杭州某城中村全景真三維模型如圖1所示。

圖1 杭州某城中村全景真三維模型

該方案主要在傾斜攝影的基礎(chǔ)上融合了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于LiDAR獲得地物空間形狀，保證了建模精度和效率。同時(shí)該生產(chǎn)工藝嚴(yán)格按照攝影測(cè)量的工藝，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建的模型長、寬、高和空間關(guān)系都嚴(yán)格符合測(cè)繪精度，最終成果是經(jīng)過質(zhì)量檢查驗(yàn)收的合格數(shù)字產(chǎn)品。大量理論研究表明，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在航高 1 000 m的角點(diǎn)定位精度在 0.3 m[10]，而在一些工程實(shí)踐中表明，應(yīng)用常見的機(jī)載LiDAR系統(tǒng)生產(chǎn)的DEM產(chǎn)品通過野外實(shí)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)其中誤差為 ±0.12 m[5]。這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)很好地保證了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在城中村建模的精度，保證后期拆遷分析需要的高精度模型數(shù)據(jù)。

在山西省某城市我們?cè)鴮?duì)同時(shí)選取兩套技術(shù)路線生成的同區(qū)域的DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試(按 1∶1 000要求作業(yè))，測(cè)試結(jié)果表明基于Smart3D軟件匹配的DSM(共統(tǒng)計(jì) 22 828個(gè)匹配點(diǎn))高程差大于 0.4 m的點(diǎn)占了30%以上，而基于LiDAR生成的DSM(共統(tǒng)計(jì) 23 000個(gè)點(diǎn))95%以內(nèi)的點(diǎn)的高程誤差小于或等于 0.2 m。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由匹配技術(shù)生成的三維模型背后的三角網(wǎng)并不能滿足其相應(yīng)的比例尺的定位精度標(biāo)準(zhǔn)[11]。

4 實(shí)踐案例

4.1 前期準(zhǔn)備

根據(jù)用戶的要求，我們選取杭州市江干區(qū)某城中村進(jìn)行真三維建模及城中村建筑拆遷統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)域面積約為 2 km2，其中傾斜影像GSD為 5 cm，激光點(diǎn)云點(diǎn)間距優(yōu)于 0.5 m。前期已基于全景真三維技術(shù)的工藝完成城中村三維模型的融合生成，并在真三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拆遷分析統(tǒng)計(jì)工作。

同時(shí)，用戶要求不需要任何現(xiàn)場調(diào)查或已有測(cè)繪資料，快速獨(dú)立生成該城中村拆遷面積統(tǒng)計(jì)報(bào)告。

4.2 拆遷分析算法

該案例的關(guān)鍵是利用激光點(diǎn)云和傾斜融合生產(chǎn)的真三維模型，高效、自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)城中村拆遷量，同時(shí)還需要考慮尖頂、圓頂、階梯狀等異形建筑、特殊建筑如倉房等構(gòu)筑物，為保證拆遷分析的客觀性和高效性，并考慮用戶拆遷分析的原則(忽略小于 1 m2的構(gòu)筑物面積)，我們采用通過軟件對(duì)建筑物的自動(dòng)化微分和積分的過程快速統(tǒng)計(jì)拆遷面積，具體拆遷分析算法流程圖如圖2所示：

圖2 真三維拆遷分析流程圖

具體算法描述如下：

(1)設(shè)置城中村區(qū)域內(nèi)建筑物的平均樓層高度值(一般為 2.8 m)。

(2)選擇拆遷量統(tǒng)計(jì)范圍。

(3)自動(dòng)提取區(qū)域內(nèi)的單體化真三維建筑模型，通過三維模型數(shù)據(jù)獲取建筑物外邊框線和基底高程值，建筑物外邊框線示意圖如圖3所示。

圖3 建筑物外邊框線

(4)根據(jù)模型外邊框線，計(jì)算建筑物的基底面積，并計(jì)算最大最小x、y值以得到模型的包圍盒范圍；以 50 cm為步長(可根據(jù)拆遷分析的限差調(diào)整)，將包圍盒等分為若干正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分見示意圖如圖4所示。

圖4 建筑物外邊框包圍盒網(wǎng)格劃分

(5)計(jì)算每個(gè)建筑物對(duì)應(yīng)的建筑面積

(6)分別計(jì)算每個(gè)正方形網(wǎng)格內(nèi)的建筑面積：首先判斷正方形區(qū)域是否和建筑物邊框線相交或在之內(nèi)，若相交，取相交部分面積，若在之內(nèi)，取正方形全部面積；然后計(jì)算每個(gè)正方形有效區(qū)域內(nèi)四個(gè)頂點(diǎn)在DSM上的高程值，判斷是否有無效值-9999，若都為有效值，取平均值為該方塊的高程；用高程減去基底高程，并除以層高計(jì)算出網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的層數(shù)，不足一層的地方若高于 2 m的則多算一層；然后乘以網(wǎng)格在建筑物邊框線內(nèi)的面積，計(jì)算出該網(wǎng)格的建筑面積，某網(wǎng)格建筑面積計(jì)算示意圖如圖5所示。

(7)將該建筑物所有有效網(wǎng)格的建筑面積相加，計(jì)算出該建筑物的建筑面積。

圖5 某網(wǎng)格建筑面積計(jì)算示意圖

(8)將所有建筑物的基底面積和建筑面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制成表格。

(9)對(duì)于廠房等建筑，可在結(jié)果表單中單獨(dú)設(shè)置層高，自動(dòng)重復(fù)(3)～(7)步驟計(jì)算建筑面積并更新數(shù)值。

(10)將所有建筑面積相加得到拆遷區(qū)域內(nèi)的總建筑面積。

4.3 結(jié)果分析

從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到計(jì)算結(jié)果輸出，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的建筑面積統(tǒng)計(jì)計(jì)算過程在1個(gè)小時(shí)內(nèi)可以全部結(jié)束。根據(jù)用戶實(shí)地測(cè)量結(jié)果與程序計(jì)算結(jié)果對(duì)比，建筑物拆遷面積統(tǒng)計(jì)誤差率在5%以內(nèi)，完全滿足用戶的要求。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

拆遷分析面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比表 表1

5 結(jié) 論

基于全景真三維技術(shù)進(jìn)行城中村改造可以滿足城市管理部門高效、高精度、無須實(shí)地調(diào)查等獲取拆遷分析面積及相關(guān)定量指標(biāo)，充分發(fā)揮新型地理信息測(cè)繪成果的作用，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)高精度

基于激光和傾斜影像融合的真三維模型及拆遷面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，平面和高程精度可以達(dá)到1∶200～1∶1 000的要求，完全滿足城市管理部門使用的要求；該方式對(duì)建筑物是否有裙樓、樓頂形狀、建筑物形狀不規(guī)則等情形都可以識(shí)別并精確統(tǒng)計(jì)，大大提高了建筑面積統(tǒng)計(jì)的精度。

(2)可追溯

基于全景真三維技術(shù)的建筑模型全部都是單體化的，因此自動(dòng)提取的建筑面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果與真三維模型一一對(duì)應(yīng)的，可便于用戶隨時(shí)追溯，可以作為后期拆遷補(bǔ)償?shù)闹匾罁?jù)，城中村拆遷統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)表如圖6所示。

圖6 城中村拆遷統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)表

(3)排除人為干擾

基于全景真三維技術(shù)的城中村改造應(yīng)用不需要用戶提供任何原始資料，更不需要現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，完全避免了人為干擾的因素，完全通過新型測(cè)繪技術(shù)手段可以作為獨(dú)立、客觀的第三方評(píng)估手段，為用戶提供可信、可用的決策依據(jù)。

6 應(yīng)用前景

全景真三維技術(shù)在反映城市形態(tài)、結(jié)構(gòu)變化及城市各要素資源運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)模擬方面有很大的優(yōu)勢(shì)，因此除了城中村改造方面，全景真三維技術(shù)獲取的真三維城市模型將對(duì)城市空間規(guī)劃、城市更新及城市治理等方面可以發(fā)揮更大的作用。