一種城市建筑體量自動(dòng)計(jì)算方法

何 騫 吳幼絲

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 510060)

0 引言

自習(xí)總書記提出“城市管理應(yīng)該像繡花一樣精細(xì)”的總體要求以來,信息化技術(shù)作為數(shù)字化城市管理最為重要的支撐[1],對(duì)種類繁多且體量巨大的城市數(shù)據(jù)進(jìn)行信息分類、統(tǒng)計(jì)分析與整合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的程序化、標(biāo)準(zhǔn)化。建筑數(shù)據(jù)作為城市數(shù)據(jù)的重要組成部分,是人文、經(jīng)濟(jì)等其他各類城市數(shù)據(jù)的空間載體,可反映各類城市信息的空間分布和時(shí)間演化情況,本文針對(duì)城市建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

目前,城市建筑數(shù)據(jù)管理主要有兩個(gè)難點(diǎn):一是數(shù)據(jù)獲取,主要表現(xiàn)為城中村建筑遮擋嚴(yán)重且違建加建現(xiàn)象較多,變化周期短而摸查難度大,難以得到業(yè)主普遍支持;二是數(shù)據(jù)分析,主要表現(xiàn)在建筑數(shù)據(jù)體量巨大,分析指標(biāo)類型繁多,對(duì)于針對(duì)性需求往往需要投入大量的人力物力進(jìn)行分析,復(fù)用性極差。傳統(tǒng)的建筑數(shù)據(jù)獲取主要依賴于地面實(shí)地量測(cè)手段,這種方式成本高昂、容易受阻且更新周期長(zhǎng),對(duì)于發(fā)生變化的建筑難以及時(shí)發(fā)現(xiàn),且僅形成單一的圖形與數(shù)據(jù)成果,未進(jìn)行集成化信息管理,無法滿足精細(xì)化管理需求。

針對(duì)上述問題,本文利用低空無人機(jī)傾斜攝影方式克服傳統(tǒng)的入戶難、效率低、時(shí)效差等數(shù)據(jù)獲取難題,結(jié)合傾斜三維模型特點(diǎn)和建筑數(shù)據(jù)分析需求構(gòu)建建筑矢量數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)而基于矢量驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市建筑體量的快速動(dòng)態(tài)分析計(jì)算,改善數(shù)據(jù)分析困難現(xiàn)狀,形成了一套城市建筑數(shù)據(jù)獲取、處理和分析的方案,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

低空無人機(jī)傾斜攝影能夠形成精細(xì)的三維模型[2],近年來在1∶500地形圖要素采集[3-4]、電力巡查[5-6]、監(jiān)測(cè)[7-8]、工程應(yīng)用[9]、規(guī)劃[10]、建筑巡查[11]等方面取得了較多進(jìn)步。但在建筑數(shù)據(jù)信息化、統(tǒng)計(jì)分析等方面對(duì)傾斜攝影模型應(yīng)用潛力的挖掘仍然不足。

本文從面向城市管理應(yīng)用的研究盲點(diǎn)建筑體量評(píng)估出發(fā),提出一種矢量驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)快速計(jì)算方法,并應(yīng)用于廣州市番禺區(qū)城市管理,構(gòu)建數(shù)字城市復(fù)雜大場(chǎng)景三維模型,進(jìn)行建筑物圖元具象分割,并擴(kuò)充建筑信息,形成建筑數(shù)據(jù)庫(kù),快速動(dòng)態(tài)計(jì)算建筑體量,平均計(jì)算一宗建筑體量的效率為0.2 s。

1 技術(shù)思路與方法

本文的總體路線如圖1所示。

圖1 建筑模型構(gòu)建與體量自動(dòng)快速計(jì)算總體路線

1.1 傾斜三維模型構(gòu)建

通過傾斜攝影獲取城市建筑模型是一種非接觸式的采集手段,具備快速靈活的優(yōu)勢(shì)。城市建筑一般分布較為密集,高低錯(cuò)落,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,基于其傾斜三維模型進(jìn)行建筑數(shù)據(jù)獲取與分析,往往需要具備較高的精細(xì)度,最大限度避免粘連現(xiàn)象,位置準(zhǔn)確。

1.1.1實(shí)地標(biāo)志布設(shè)

為確保傾斜三維模型具有足夠的精度,本研究采用角點(diǎn)布設(shè)法進(jìn)行實(shí)地標(biāo)志布設(shè),即在區(qū)域網(wǎng)凸角轉(zhuǎn)折處和凹角轉(zhuǎn)折處布設(shè)平面點(diǎn),其他位置均勻布設(shè),距離控制在200～300 m之間,如圖2所示。為確保布設(shè)點(diǎn)的精度,每個(gè)像控點(diǎn)均應(yīng)有兩次獨(dú)立的觀測(cè)結(jié)果,且平面坐標(biāo)較差σx,y≤3 cm,高程較差σz≤5 cm,在限差內(nèi)取平均值作為像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。角點(diǎn)布設(shè)法對(duì)于不同形狀的作業(yè)區(qū)域都具備穩(wěn)定的控制效果,滿足精度要求的平面點(diǎn)資源可以重復(fù)利用。

圖2 像控點(diǎn)布設(shè)位置示意圖

1.1.2多視影像采集與精細(xì)化建模

在高精度地面標(biāo)志的基礎(chǔ)上,本研究通過以下措施確保模型的精度滿足要求。

(1)提高像片的地面分辨率

高分辨率影像具有更好的判讀條件,本研究為確保多視影像采集的地面分辨率不低于地面2 cm,針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)多為城中村低矮建筑,部分為100～120 m高層建筑的情況,搭載型號(hào)5100X5索尼相機(jī),設(shè)定航高為80～100 m進(jìn)行影像采集。

(2)減小鏡頭畸變,適當(dāng)增大影像重疊度

無人機(jī)航攝采用的相機(jī)在糾正過程中會(huì)產(chǎn)生糾正誤差,且畸變和誤差在邊緣部分更加嚴(yán)重。為了解決這一問題,本文研究加大像片重疊度到75%～85%,進(jìn)行畸變糾正后,盡可能使用像片中心部分的影像。

(3)控制空三精度

空中三角測(cè)量通過整體區(qū)域網(wǎng)光束法平差,整合相機(jī)畸變、同名點(diǎn)匹配誤差、像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)誤差、影像位姿誤差、像控點(diǎn)誤差等多方面的影響,使其最小化,得到重投影誤差最小的空三成果。因此,空三的精度反映了前期數(shù)據(jù)采集的整體精度水平,本研究控制像控點(diǎn)重投影誤差小于1個(gè)像素。

1.2 面向城市建筑管理需求的建筑體量自動(dòng)快速計(jì)算

城市建筑管理主要以棟數(shù)、結(jié)構(gòu)、層數(shù)、建基面積、建筑面積、地理位置等信息為興趣點(diǎn),本研究通過高精度的城市建筑傾斜三維模型,結(jié)合需求進(jìn)行矢量化并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為幾何信息(建基面積、建筑面積)和屬性信息(結(jié)構(gòu)、層數(shù)、門牌地址)。其中,建筑面積自動(dòng)計(jì)算主要通過以下方式獲得:(1)識(shí)別矢量化后的結(jié)構(gòu)，如建基線、分層線、飄樓線、陽臺(tái)線等線型,自動(dòng)構(gòu)建相應(yīng)矢量面,根據(jù)規(guī)范計(jì)算建筑面積;(2)讀取結(jié)構(gòu)注記獲取層數(shù)信息,統(tǒng)計(jì)該建筑結(jié)構(gòu)總建筑面積;(3)根據(jù)建基線與其他結(jié)構(gòu)矢量線的相交關(guān)系,確定同一棟城市建筑所有的結(jié)構(gòu)矢量面,統(tǒng)計(jì)所有結(jié)構(gòu)總建筑面積,并自動(dòng)賦予棟號(hào),形成矢量數(shù)據(jù)庫(kù)幾何信息成果;(4)任意劃定城市建筑矢量數(shù)據(jù)庫(kù)成果統(tǒng)計(jì)范圍閉合線,獲得該范圍內(nèi)所有城市建筑的總建基面積與總建筑面積,即建筑體量,同時(shí)形成該范圍內(nèi)每一棟城市建筑的建筑面積明細(xì)。

1.2.1城市建筑矢量化

本研究中城市建筑矢量化主要通過清華山維軟件(EPS)實(shí)現(xiàn):首先,采用三維測(cè)圖模塊讀取高精細(xì)的三維模型數(shù)據(jù);然后,通過搭載的基礎(chǔ)測(cè)繪模塊啟用居民地工具欄的建基線、飄樓線、分層線、陽臺(tái)線等繪圖功能,即可根據(jù)三維模型的房角點(diǎn)勾勒城市建筑的主體輪廓基底矢量線,同時(shí)進(jìn)行屋檐矯正,正確切準(zhǔn)分層線、陽臺(tái)線的具體位置,標(biāo)注層數(shù)結(jié)構(gòu),以準(zhǔn)確反映建筑物的總體結(jié)構(gòu)。

城市建筑矢量化關(guān)系到建筑體量計(jì)算的準(zhǔn)確性,需要做到以下三點(diǎn):(1)房角點(diǎn)捕捉準(zhǔn)確;(2)建筑物結(jié)構(gòu)區(qū)分正確;(3)結(jié)構(gòu)矢量閉合或者圍合的面閉合,如建基線閉合、飄樓線與建基線形成閉合面。

完成后需通過質(zhì)檢,對(duì)自動(dòng)懸掛點(diǎn)、交叉點(diǎn)、重復(fù)點(diǎn)、斷點(diǎn)等進(jìn)行檢查,及時(shí)更新更改后的矢量狀態(tài)。

1.2.2城市建筑面積自動(dòng)計(jì)算

本研究中城市建筑面積計(jì)算主要通過編寫EPS計(jì)算腳本實(shí)現(xiàn):首先,識(shí)別建基線、分層線、飄樓線、陽臺(tái)線等線型,根據(jù)線型形成最小圍合面，如一般房屋面、房屋分層面、飄樓面、陽臺(tái)面等(如圖3陰影部分);然后讀取最小圍合面內(nèi)的結(jié)構(gòu)層數(shù)注記,自動(dòng)計(jì)算最小圍合面的建筑面積;最后,根據(jù)每棟建筑僅有一條建基線,與其相交的其他結(jié)構(gòu)為同一建筑物,賦予同一編號(hào),同時(shí)進(jìn)行面積疊加,自動(dòng)計(jì)算該棟建筑的總建筑面積,具體算法如圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)面示意圖

圖4 城市建筑面積自動(dòng)計(jì)算流程圖

1.2.3城市建筑體量自動(dòng)計(jì)算

本文提出的方法在自動(dòng)計(jì)算城市建筑面積的同時(shí),根據(jù)同一建筑物不同結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系附加同一棟號(hào)屬性,形成矢量數(shù)據(jù)庫(kù),獲取結(jié)構(gòu)、層數(shù)、棟號(hào)、建基面積、建筑面積等信息。

在此基礎(chǔ)上,城市建筑體量自動(dòng)計(jì)算主要通過劃定任意統(tǒng)計(jì)范圍閉合線(如圖5范圍一、二、三所示),根據(jù)閉合線與矢量數(shù)據(jù)庫(kù)成果的拓?fù)潢P(guān)系判別,自動(dòng)識(shí)別閉合線范圍內(nèi)的建筑物,并進(jìn)行遍歷輸出范圍內(nèi)所有建筑物的幾何信息與屬性信息，如層數(shù)、結(jié)構(gòu)、建基面積、建筑面積等,同時(shí)統(tǒng)計(jì)總棟數(shù)、總建基面積、總建筑面積,即建筑體量,具體算法如圖6所示。

圖5 城市建筑體量統(tǒng)計(jì)范圍線劃定示意圖

圖6 城市建筑體量統(tǒng)計(jì)算法示意圖

2 成果應(yīng)用案例

2018年底,廣州市開始計(jì)劃進(jìn)行轄區(qū)內(nèi)建筑物調(diào)查與入庫(kù),調(diào)查以街道為主要實(shí)施主體,難度大、工期緊、任務(wù)繁重,簡(jiǎn)單粗放的現(xiàn)場(chǎng)摸查難以快速得到群眾的普遍支持,以無人機(jī)為代表的傾斜攝影技術(shù)以其動(dòng)態(tài)、快速、高效地通過非接觸式測(cè)量的優(yōu)勢(shì)成為輔助摸查建筑物,創(chuàng)新城市管理模式的必然手段。

本文以番禺區(qū)某街道建筑物調(diào)查項(xiàng)目為例,項(xiàng)目總面積為11.8 km2,利用購(gòu)置的哈瓦無人機(jī)進(jìn)行作業(yè),每個(gè)鏡頭相機(jī)分辨率為6 000×4 000,總像素為1.25億。作業(yè)航高為80～100 m,航向重疊度80%,旁向重疊度80%,地面采樣間隔為2 cm,形成建筑模型如圖7所示?；诮ㄖＰ瓦M(jìn)行矢量驅(qū)動(dòng)下的建筑體量自動(dòng)快速計(jì)算,形成包含建筑結(jié)構(gòu)、層數(shù)、建基面積、建筑面積等屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)成果與統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 本文研究所采集和構(gòu)建的建筑模型

2.1 精度驗(yàn)證

通過人工入戶測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢核,對(duì)700多宗建筑進(jìn)行建筑量面積誤差率統(tǒng)計(jì),最小值為0.009 4%,最大值為15.6%,平均值為3.4%,標(biāo)準(zhǔn)差為3.4%,具體如圖8所示。

圖8 面積誤差比率分布圖

其中,部分面積誤差比率較大，主要由于密集房屋部分隱蔽不可見或不清晰，無法辨認(rèn),建筑內(nèi)部如果存在夾層,本文傾斜建模的方式無法進(jìn)行感知。

2.2 效率驗(yàn)證

在精度方面本文方法與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量入戶相比,雖然不具備優(yōu)勢(shì),但基本上滿足城市管理的需求,且執(zhí)行難度低,另一方面在效率上具有明顯優(yōu)勢(shì),例如，在建筑體量自動(dòng)快速計(jì)算方面,采用Win10系統(tǒng)、Intel(R)Core(TM)i7-9700K CPU、32 GB RAM 配置的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算,平均計(jì)算一宗建筑體量的效率為0.2 s,具體計(jì)算體量與耗時(shí)如表1所示。

表1 建筑體量自動(dòng)快速計(jì)算效率表

通過項(xiàng)目對(duì)比,本文方法與傳統(tǒng)方法在人員效率、成本、工期、適用性、精度、施行難度、數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。

表2 本文方法與傳統(tǒng)測(cè)量方法效率對(duì)比

3 結(jié)束語

本文提出的建筑體量自動(dòng)計(jì)算方法準(zhǔn)確快捷,容易操作,顯著減少了人工外業(yè)測(cè)算面積的工作量。建筑體量自動(dòng)快速計(jì)算方案,依托城市管理沙盤數(shù)據(jù)——高精細(xì)建筑模型,一次性采集,同步建立建筑圖元屬性數(shù)據(jù)庫(kù),輸出建筑體量明細(xì)與統(tǒng)計(jì)值,成果形式豐富多樣,計(jì)算過程自動(dòng)化程度高,在精細(xì)化管理、動(dòng)態(tài)化日益迫切的城管管理中,對(duì)于城管快速把握建筑詳細(xì)信息、統(tǒng)計(jì)信息、現(xiàn)勢(shì)情況有著重要指導(dǎo)意義。