無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用

田澤海，余 星

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060）

“三舊”改造即“舊城鎮(zhèn)、舊廠房、舊村莊”，是推進(jìn)廣東省節(jié)約集約用地示范省試點(diǎn)建設(shè)的重要舉 措[1]。廣州市黃埔區(qū)作為全國首個(gè)區(qū)級“三舊”改造改革創(chuàng)新試點(diǎn)區(qū)，城市更新投資總額、已批項(xiàng)目、開工面積等主要指標(biāo)連續(xù)5a領(lǐng)先全市其他行政區(qū)， 3a蟬聯(lián)廣州市“三舊”改造考核第一[2]?！叭f”改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查是“三舊”改造項(xiàng)目前期最為重要的基礎(chǔ)性工作之一。而基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查則必須依托于基本地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行開展。目前基本地形圖測繪主要采取GPS-RTK配合全站儀進(jìn)行作業(yè)的傳統(tǒng)方法，其特點(diǎn)是工作效率較低、工期較長、人工成本高、勞動強(qiáng)度大，無法滿足“三舊”改造對數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和迫切性需求[3-4]。

飛速發(fā)展的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)因其具備高效快速獲取海量數(shù)據(jù)信息、真實(shí)可靠地反映地面客觀情況等特點(diǎn)，被廣泛用于城市規(guī)劃、城市更新、應(yīng)急指揮、國土安全等領(lǐng)域[4-9]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)作業(yè)方法的不足。本文將研究面向舊村改造的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用，以黃埔區(qū)夏園村舊改項(xiàng)目為例，驗(yàn)證無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在舊村改造中獲取大比例尺地形圖的可行性。

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)，測區(qū)總面積約為1.5km2。測區(qū)北部是菜地園地等農(nóng)用地為主，測區(qū)南部是集中連片的村屋為主（見圖1）。

圖1 航線規(guī)劃圖

項(xiàng)目采用縱橫CW10無人機(jī)（CW10無人機(jī)采用固定翼結(jié)合四旋翼的復(fù)合翼布局形式，見圖2），主要技術(shù)參數(shù)：搭載5個(gè)SONY ILCE-5100高清鏡頭相機(jī)，相機(jī)分辨率為6000×4000。以固定翼飛行器為基礎(chǔ)，在起降及低速狀態(tài)下配合四旋翼飛行，克服重力及氣動阻力進(jìn)行飛行，以簡單可靠的方式解決了固定翼無人機(jī)垂直起降、起降點(diǎn)環(huán)境限制等難題，同時(shí)兼顧固定翼無人機(jī)續(xù)航能力強(qiáng)、速度快、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)保證了項(xiàng)目在山區(qū)、叢林等復(fù)雜地形和建筑物密集區(qū)域的順利進(jìn)行[10-11]。

圖2 項(xiàng)目現(xiàn)場照片

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 技術(shù)路線

結(jié)合測區(qū)北部和南部的特點(diǎn)，提出了利用縱橫CW10無人機(jī)進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測繪大比例尺地形圖的作業(yè)方案[12-13]，技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 基于無人機(jī)傾斜攝影的大比例尺地形圖測繪技術(shù)路線

測區(qū)面積1.5 km2，實(shí)際飛行面積2.8 km2，共計(jì)飛行2架次，航飛高度250 m，航向及旁向重疊率80%，布設(shè)像控點(diǎn)共24個(gè)，地面分辨率為3.5 cm。本次航飛所得數(shù)據(jù)計(jì)劃使用EPS2016三維測圖軟件按照航測標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)1∶500地形圖。

2.2 測區(qū)成果

2.2.1 實(shí)景三維模型

將獲取的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，設(shè)置相機(jī)參數(shù)。在相應(yīng)的圖像中標(biāo)記控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)，經(jīng)過特征點(diǎn)提取、空中三角測量、點(diǎn)云加密處理，再根據(jù)點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，建立三維模型，同步將多角度獲取的紋理信息與之貼合，最終得到測區(qū)實(shí)景三維模型[13]，如 圖4所示。

圖4 項(xiàng)目構(gòu)建的實(shí)景三維模型

2.2.2 地形圖

基于測區(qū)所獲的實(shí)景三維模型，利用EPS2016三維測圖軟件平臺三維測圖模塊通過雙屏模式同時(shí)加載實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)和正射影像數(shù)據(jù)，二三維聯(lián)動一體化進(jìn)行地形圖測繪，在生成模型時(shí)，對于房屋比較密集的部分進(jìn)行一些必要的外業(yè)調(diào)繪。主要步驟分為三步。

1）實(shí)景三維模型導(dǎo)入。利用EPS2016三維測圖軟件中“模型轉(zhuǎn)換”功能將Smart3D生成的0SGB格式的模型轉(zhuǎn)成DSM模型，然后將格式轉(zhuǎn)換后的DSM模型在EPS2016上加載出來[7]。在電腦上進(jìn)行雙屏操作，左邊是繪圖區(qū)，右邊是DSM模型。

2）地形圖勾繪。EPS2016三維測圖軟件中的模型空間量算功能可將地物、地貌的尺寸直接測算出來，同時(shí)軟件帶有模型平移、旋轉(zhuǎn)及縮放等基礎(chǔ)功能，通過自動識別地物特征（比如屋檐、河流邊界）實(shí)現(xiàn)內(nèi)業(yè)快速繪圖，如圖5所示。

圖5 EPS2016雙屏繪制地形圖

3）房屋面積?；贓PS2016三維測圖軟件平臺進(jìn)行二維建筑線勾繪和圖形屬性賦值，圖形主要屬性含有點(diǎn)位坐標(biāo)（X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，廣州高程）、周長、面積、層數(shù)、建筑面積等。其中建筑層數(shù)是利用我院制作的EPS插件，通過主要點(diǎn)位高程減去附近地面點(diǎn)高程，除以平均層高（設(shè)定為3 m）自動獲得，內(nèi)業(yè)人員根據(jù)三維模型進(jìn)行層數(shù)復(fù)核；建筑面積等于建筑層數(shù)和面積的乘積。需注意的是：農(nóng)村梯屋普遍存在，因部分梯屋造型復(fù)雜會引起插件計(jì)算面積錯(cuò)誤，需要根據(jù)針對復(fù)雜梯屋單獨(dú)計(jì)算的方式處理建筑面積，圖6中建筑物結(jié)構(gòu)（A、B、C、D）可通過構(gòu)建的實(shí)景三維模型進(jìn)行判定，再依靠外業(yè)巡圖確定。

圖6 基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的地形圖成果

3 精度分析

3.1 精度要求

本測區(qū)從點(diǎn)位、邊長、高程和建筑物面積4個(gè)方面進(jìn)行成果精度分析。其中點(diǎn)位、邊長、建筑物面積精度對比是將基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的房屋角點(diǎn)與實(shí)地野外調(diào)繪得到的房屋角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比。

1∶500地形圖精度要求[14]：地物點(diǎn)位中誤差±15cm；臨近地物點(diǎn)間距中誤差±10cm，高程中誤差不得大于±15cm。

3.2 點(diǎn)位精度分析

選取地形圖中房屋角點(diǎn)和外業(yè)實(shí)測（檢測）的同名點(diǎn)進(jìn)行分析，如表1所示。最大點(diǎn)位誤差為0.169m，最小點(diǎn)位誤差為0.007m，所有檢核點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為0.061m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表1 點(diǎn)位精度分析表

3.3 邊長精度分析

選取地形圖中房屋邊和外業(yè)實(shí)測（檢測）邊進(jìn)行分析，如表2所示。最大邊長誤差為0.11m，最小邊長誤差為0.00m，所有檢核邊的邊長中誤差為0.052m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表2 邊長精度分析表

3.4 高程精度分析

選取地形圖中高程點(diǎn)和外業(yè)RTK實(shí)測（檢測）的同名點(diǎn)進(jìn)行分析，如表3所示。最大高程誤差為0.147m，最小高程誤差為0.007m，所有檢核點(diǎn)的高程中誤差為0.043m，可滿足1∶500地形圖精度要求。

表3 高程精度分析表

3.5 面積精度分析

選取地形圖中房屋面和外業(yè)實(shí)測、經(jīng)內(nèi)業(yè)計(jì)算而得的對應(yīng)屋面進(jìn)行分析，如表4所示。最大面積誤差為0.06m2，最小面積誤差為14.91m2，所有檢核房屋面的面積相對誤差的中誤差為1.71%，可滿足城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)誤差比例小于或等于5%的精度要求[12]。

表4 建筑面積精度分析表

3.6 效率對比

在保證點(diǎn)位、邊長、面積、高程等精度的前提下，大大的提高了工作效率，從人員、時(shí)間、作業(yè)成本、數(shù)據(jù)成果等方面與傳統(tǒng)測量方法進(jìn)行對比，如表5所示。

表5 效率對比表

4 結(jié) 語

本文以廣州市黃埔區(qū)某村為例，提出了將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于面向舊村改造的大比例尺地形圖中，利用EPS2016三維測圖軟件平臺繪制地形圖，通過對點(diǎn)位、邊長、高程和建筑物面積4個(gè)方面進(jìn)行精度分析，證明了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可滿足面向舊村改造的1∶500地形圖測圖要求，并得出以下結(jié)論：

1）通過實(shí)際工程應(yīng)用可知，在相機(jī)重疊度足夠高、合理設(shè)置行高的情況下，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠滿足1∶500地形圖測繪、城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)誤差比例要求。

2）將無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于面向舊村改造的大比例尺地形圖中，能夠大大減少外業(yè)工作量，將工作重點(diǎn)由外業(yè)轉(zhuǎn)到內(nèi)業(yè)。由于外業(yè)工作迅速、時(shí)間短，對氣候依賴性低，相對比傳統(tǒng)測繪，項(xiàng)目進(jìn)度大大提升。傳統(tǒng)測繪手段內(nèi)業(yè)工作需要依靠外業(yè)人員通過畫草圖、憑記憶完成，而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型能夠很好地輔助內(nèi)業(yè)人員繪圖工作，提高內(nèi)業(yè)工作效率。

3）舊改工作往往需要現(xiàn)勢性強(qiáng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)因其高精度、高效率、作業(yè)便捷的特點(diǎn)很好地貼合了“三舊”改造工作需求。

同時(shí)，基于生成的實(shí)景三維模型能夠快速、較為準(zhǔn)確地計(jì)算出調(diào)查區(qū)域房屋建筑總量，節(jié)省了大量人力物力，縮短工作周期，滿足了舊村改造數(shù)據(jù)的高時(shí)效性要求，為全國舊改領(lǐng)頭的廣東省、廣州市其他“三舊”改造項(xiàng)目提供了一定的參考。