無人機攝影測量在屋頂平改坡規(guī)劃中的應(yīng)用

吳章亮

(福建省地質(zhì)工程勘察院，福州，350002)

平屋頂改造為坡屋頂稱為“平改坡”，平改坡能夠有效解決原平屋頂住宅存有滲漏、隔熱差現(xiàn)象，推進城鎮(zhèn)環(huán)境綜合整治[1]。平改坡需要獲取精確的屋頂信息，傳統(tǒng)的測量方法采用人工拉皮尺測量，測繪工作人員在樓頂高空作業(yè)，不僅存在人工成本高、工作效率低的問題，而且測量過程中具有一定的風(fēng)險。隨著無人機行業(yè)的發(fā)展，無人機遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的效率和精度不斷提高，具有操作靈活便捷、機動性強，數(shù)據(jù)精度高、分辨率高的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)測量的不足，成為獲取地理數(shù)據(jù)的重要手段[2]。根據(jù)漳州市對鐵路沿線村莊屋頂平改坡項目規(guī)劃，結(jié)合現(xiàn)場踏勘的實地環(huán)境，采用了四旋翼自帶RTK無人機攝影測量的方法可免像控獲取高清影像數(shù)據(jù)。基于無人機獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù)，根據(jù)角美鎮(zhèn)鐵路沿線房屋屋頂平改坡進行的二、三維效果展示以及改造面積的量算、統(tǒng)計歸檔，其中三維成果主要為平改坡房屋傾斜三維模型，每棟房屋傾斜模型均需要達到1∶500地形圖測繪精度要求，這為后續(xù)屋頂平改坡改造提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

該項目研究區(qū)域位于福建省漳州市，緊鄰鐵路及高速公路，生態(tài)環(huán)境良好。但早年前，房屋建筑分布參差不齊，而且密集，屋頂風(fēng)貌較差，為推進小城鎮(zhèn)環(huán)境綜合整治，政府將其列入了鐵路沿線房屋整治的重要整治區(qū)域，航線規(guī)劃及測區(qū)示意見圖1。該次項目采用大疆精靈Phantom 4 RTK無人機獲取測區(qū)影像數(shù)據(jù)，精靈Phantom 4 RTK搭載1英寸2000萬像素CMOS傳感器捕捉高清影像。機械快門支持高速飛行拍攝，消除“果凍效應(yīng)”，有效避免建圖精度降低。借助高解析度影像，精靈Phantom 4 RTK在100 m飛行高度中的地面采樣距離(GSD)可達2.74 cm。通過將厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)進行結(jié)合，對起降場地要求較低、能夠大幅減少以往航測中所需的地面控制點，簡化作業(yè)流程，降低時間成本，提升航測效率[3]。

圖1 航線規(guī)劃及測區(qū)示意圖Fig.1 Air route planning and survey area schematic diagram

1.1 無人機攝影測量技術(shù)方案

項目實施通常需要3個步驟，包括制定項目實施的規(guī)劃、數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)處理。通過結(jié)合測區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀和多旋翼無人機的攝影測量的特點，合理規(guī)劃項目。然后通過無人機攝影測量技術(shù)，全面獲取測區(qū)高清影像數(shù)據(jù)。最后根據(jù)項目要求，對數(shù)據(jù)進行處理，獲取二、三維成果圖。數(shù)據(jù)獲取之前需要對項目進行規(guī)劃，為后期模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支持，合理地規(guī)劃能夠較大提高工作效率。需對測區(qū)及測區(qū)周圍環(huán)境進行實地踏勘，采集測區(qū)的地形特征、整體布局，測區(qū)周圍的房屋建筑、道路交通、人口密度等信息；觀察無人機作業(yè)地點距離高鐵鐵道遠近程度，決定采取多少高度飛行[4]。同時要注意四周行人與障礙物，為起降場地的選取、航線規(guī)劃、應(yīng)急預(yù)案制訂等提供資料。通過現(xiàn)場測區(qū)勘察環(huán)境和自身的設(shè)備準(zhǔn)備情況，確定起飛場地，預(yù)設(shè)精靈Phantom 4 RTK飛行高度120 m，拍攝重疊率80%，旁向重疊70%等相關(guān)飛行參數(shù)。

初步完成項目規(guī)劃后，對項目任務(wù)進行推演。通過對無人機航空測量效果的預(yù)估和判斷，對項目任務(wù)規(guī)劃結(jié)果進行動態(tài)推演，對擬制完成的測圖計劃進行正確分析，反饋指導(dǎo)決策，形成最終項目規(guī)劃，選取合適天氣進行數(shù)據(jù)獲取。無人機攝影測量流程(圖2)。

1.2 無人機影像數(shù)據(jù)獲取

無人機影像數(shù)據(jù)采集是通過無線電遙控設(shè)備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控手動或自動進行作業(yè)任務(wù)[5]。該項目主要針對測區(qū)進行數(shù)字正射影像(DOM，Digital Orthophoto Map)和實景三維模型的構(gòu)建，正射影像是照相鏡頭垂直90°往地面拍攝，三維模型需要對每個地物多角度進行航拍，采用傾斜攝影的方法建立三維建模。在無人機飛行前需要檢查相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，檢查無誤后即可按照規(guī)劃線路進行自動飛行。由于測區(qū)內(nèi)部分村落房屋相互挨連、相對緊密，為達到更好的三維建模效果，在規(guī)劃航線自動飛行作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，人工手動對房屋進行環(huán)繞補拍。

圖2 無人機攝影測量流程Fig.2 UAV photogrammetry process

Phantom 4 RTK采用雙備份GNSS系統(tǒng)，機上有GNSS差分天線模塊，采用實時差分定位技術(shù)，可使定位精度達到厘米級。本項目航測區(qū)域零散、單個測區(qū)面積較小，所以無人機航飛采用網(wǎng)絡(luò)RTK模式，免去外業(yè)像控點的布設(shè)及采集工作。數(shù)據(jù)采集完成后需要檢查數(shù)據(jù)是否完整，POS數(shù)據(jù)是否齊全，主要檢查航帶變化處的相片號，防止POS數(shù)據(jù)中的相片號與影像數(shù)據(jù)相片號沒有一一對應(yīng)，出現(xiàn)不合格的影像數(shù)據(jù)；需保證影像數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠輸出正射影像圖和傾斜三維模型，檢測完成后即完成此次航拍任務(wù)[6]。

2 項目成果

2.1 正射影像圖

無人機獲取的原始數(shù)據(jù)包括高分辨率影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)[7]。將原始資料數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Pix 4D mappe中建立測區(qū)進行處理，確認原始數(shù)據(jù)的完整性。查看快速處理得到的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型(DSM,Digital Surface Model)成果(圖3、圖4)，數(shù)字正射影像生成效率高，具有較高的精度，影像信息豐富，真實客觀地反映測區(qū)房屋的方位等空間信息，能夠有效監(jiān)測測區(qū)屋頂信息。

2.2 無人機傾斜實景三維建模

無人機傾斜模型采用傾斜攝影測量的方法進行三維建模。利用無人機搭載高清相機傳感器獲取研究對象不同角度的影像數(shù)據(jù)。采集的影像數(shù)據(jù)處理軟件采用Bentley公司的實景建模軟件——Contextcapture (原名Smart 3D Capture)，該軟件可執(zhí)行自動空中三角測量和三維重建。通過自動識別每張相片的相對位置和方向，校準(zhǔn)所有圖像，利用自動三維重建、紋理映射以及對捆綁關(guān)系和重建約束的重新處理，確保得到高精度的模型，生成具有高分辨率的實景三維模型[8]。生成的無人機傾斜模型以更加立體直觀的方式展示，模型中具有豐富空間數(shù)據(jù)，提供高質(zhì)量的實景信息，部分房屋無人機傾斜模型[9](圖5)。

圖3 數(shù)字正射影像圖Fig.3 Orthographic image

圖4 數(shù)字表面模型Fig.4 Digital surface model

圖5 無人機傾斜模型Fig.5 Tilt model of UAV

2.3 屋頂平面圖采集

基于構(gòu)建的傾斜無人機傾斜模型進行屋頂信息數(shù)據(jù)的采集。首先進行平面圖數(shù)據(jù)的獲取，采用EPS 3D Survey三維測圖系統(tǒng)進行平面圖的繪制。測圖前需要添加編輯平臺、三維瀏覽、傾斜攝影三維測圖模塊，選擇1∶500的比例尺，即選擇基礎(chǔ)地理標(biāo)準(zhǔn)為-500。在制圖前，需要先生成數(shù)字表面模型dsm文件，還可以加載二維正射影像圖。加載正射影像圖可以對測圖過程進行監(jiān)測，不僅從三維視圖進行繪制，還能在正射影像圖中查看是否采集正確。依據(jù)EPS繪制屋頂平面圖流程(圖6)，二維線劃圖繪制嚴格按照1∶500測圖規(guī)范要求進行繪制屋頂平面圖[10](圖7)。

圖6 EPS繪制屋頂平面圖流程圖Fig.6 The flow chart of EPS draw a roof plan

圖7 EPS繪制屋頂平面圖Fig.7 The plan of EPS draw a roof

繪制好所有平面圖后，即可進行面積量算與統(tǒng)計。在CASS軟件中將EPS繪制的DWG圖進行框裱，每棟房子用一個框裱文件存儲。使用面積量測工具對屋頂?shù)母髁⒚孢M行量測，填入框圖中，計算總面積。

通過以上兩個步驟處理，可全面獲取屋頂?shù)亩S、三維空間信息。將每棟房屋CAD制作屋頂平面示意圖及面積統(tǒng)計，填入行政村、編號、戶主、日期、邊長尺寸等信息，每棟單獨儲存為DWG文件進行匯總，為屋頂改造提供數(shù)據(jù)支持。

2.4 線畫圖精度驗證

傳統(tǒng)采用人工進行平改坡屋頂測量存在危險系數(shù)高、測量難度大、效率低等問題。因此，該研究采用三維激光點云數(shù)據(jù)進行平改坡線畫圖的精度驗證，相比全站儀等單點測量方式，三維激光掃描具有較高的測量精度，可達到毫米級精度，掃描速度快，自動獲取點云數(shù)據(jù)，減少人為觀測誤差。結(jié)合影像數(shù)據(jù)可生成真彩色點云模型，該模型具有測量對象高精度的三維空間信息，可進行點、線、面要素的量測(圖8)。但在建筑屋頂測量中，機載LiDAR成本高數(shù)據(jù)量大，而架站式三維激光較難進行房屋屋頂部分的掃描，無法滿足所有房頂?shù)膾呙铚y量。因此，該研究選取兩棟架站條件較優(yōu)的平改坡對象，進行屋頂部分三維激光掃描，經(jīng)過點云數(shù)據(jù)處理后，隨機選取其中4條邊長和4個面積進行線畫圖成果的精度驗證(表1)。

圖8 點云模型邊長測量Fig.8 Side length measurement of the point cloud model

表1 線畫圖精度驗證

驗證結(jié)果顯示，邊長誤差在2 cm以內(nèi)，面積誤差在0.04 m2以內(nèi)，無論是邊長精度還是面積精度都滿足了該工程測圖精度要求。由此可得，該研究通過獲取平改坡對象的傾斜模型數(shù)據(jù)，再結(jié)合三維繪圖軟件生成平改坡線畫圖的方法是有效可行的。

3 總結(jié)

平改坡是城鎮(zhèn)化建設(shè)和環(huán)境整治的重要措施，筆者以鐵路沿線村莊屋頂平改坡為研究對象，開展了基于無人機攝影測量方法進行屋頂平改坡規(guī)劃的三維測繪。首先通過無人機影像數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字正射影像和傾斜實景三維模型，能夠快速獲取建筑物的信息，包含了城市房屋的外框信息和高程信息，以及房頂?shù)氖噶啃畔?。房頂平改坡改造后的成效以無人機傾斜模型真實可視化的形式展示，可直觀的表達顯示出小城鎮(zhèn)綜合治理效果。其次通過無人機攝影測量技術(shù)用于測量平改坡屋頂改造面積大小，繪制每家每戶改造面積狀況平面圖并按村級、鎮(zhèn)級等逐級統(tǒng)計匯總，輔助改造費用預(yù)算評估。測區(qū)所有平改坡屋頂二維線畫圖以及房屋傾斜模型，已交付城鎮(zhèn)建設(shè)單位并成功應(yīng)用于后續(xù)屋頂改造。該方法具有工程實踐意義，信息數(shù)據(jù)真實可靠，有效推動城鎮(zhèn)化建設(shè)和環(huán)境治理。