傾斜攝影測量技術(shù)在城市拆遷測繪中的應(yīng)用分析

劉碧瑤

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

1 概述

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，導(dǎo)致了城市居住及發(fā)展用地的緊張，為了緩解這種局面，很多城市老舊房屋的拆遷改造被提上日程[1]。在老舊房屋拆遷之前需要對房屋進(jìn)行評估來確定補(bǔ)償價(jià)格，房屋評估需要測定房產(chǎn)面積、地面附屬物的概況。而在對房屋進(jìn)行評估的過程中，存在一些弊端，首先，在政府傳出要對某地區(qū)進(jìn)行拆遷改造的時(shí)候，該地區(qū)的居民就會對房屋進(jìn)行突擊加蓋、裝修以及補(bǔ)種樹木等活動(dòng)，這些手段會對拆遷的實(shí)際勘測造成一定的不利影響；其次，在對方案進(jìn)行拆遷評估的時(shí)候往往需要入戶對房屋裝修以及房屋內(nèi)外面積進(jìn)行測量評估，而很多情況下，房屋主人不允許評估人員的進(jìn)入，這就會耽誤評估工作的開展[2]。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)利用多攝像頭從不同角度迅速采集測區(qū)的高分辨率圖像，可以在拆遷之前對拆遷區(qū)域內(nèi)的房屋情況進(jìn)行仔細(xì)準(zhǔn)確的測繪，幫助工作人員掌握房屋的準(zhǔn)確面積、結(jié)構(gòu)類型、成新度等數(shù)據(jù)，大大減少了拆遷過程中出現(xiàn)的種種弊端，有非常大的推廣意義。本研究以某市臨街低層店鋪拆遷項(xiàng)目為例，分析了城市拆遷過程中無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的作用以及應(yīng)用流程。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)

2.1 無人機(jī)航測技術(shù)簡介

無人機(jī)根據(jù)機(jī)翼類型可以被分為旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)是依靠機(jī)翼上下方形成的氣壓差而提供升力來運(yùn)動(dòng)的。體積較大的無人機(jī)常用于軍事領(lǐng)域，民用固定翼航測無人機(jī)體積較小，但收放需要較大的空間[3]。除此之外還有旋翼無人機(jī)，大家經(jīng)常接觸到的大疆無人機(jī)就是旋翼無人機(jī)的典型代表。擁有垂直起降、定點(diǎn)懸停、空中大幅度轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)，并且由于旋翼數(shù)量較多，所以飛行姿態(tài)相比于其他無人機(jī)來說更為穩(wěn)定，所以使用范圍較廣。當(dāng)前在城市拆遷航測中應(yīng)用的無人機(jī)多為旋翼無人機(jī)。

2.2 無人機(jī)航測的優(yōu)勢

無人機(jī)航測的優(yōu)勢主要集中在以下幾點(diǎn)：（1）測繪空域申請較為方便，城市中建筑高低交錯(cuò)，為了確保地上建筑物和線纜的安全，國家會對城市空域進(jìn)行管制，如果需要對拆遷進(jìn)行航測，無人機(jī)申請空域較為方便，對于起降條件要求也低，不受惡劣天氣的影響。（2）靈活方便，相比于傳統(tǒng)人工測繪，無人機(jī)測繪較為方便，即便是彈射型固定翼無人機(jī)所需要的人力物力等資源也大為減少。（3）可以拍攝大比例高分辨率圖像，無人機(jī)可以在低空飛行，所以測繪中采集的影像分辨率可以高達(dá)2～3 cm的水平，相比于人力拍攝照片，精度更高[4]。測繪的精度越高，越能對實(shí)際情況進(jìn)行一個(gè)清晰的呈現(xiàn)，越能達(dá)到測繪的最終目的。（4）全自動(dòng)測繪建模，近年來測繪領(lǐng)域大力發(fā)展了傾斜攝影技術(shù)，通過一個(gè)垂直及四個(gè)傾斜的角度采集物體的影像，通過模型形成符合人眼視覺的真實(shí)影像。無人機(jī)的傾斜攝影建模過程為全自動(dòng)建模，全部由終端系統(tǒng)自動(dòng)完成，不需要人工來進(jìn)行干涉，大大節(jié)省了測繪人員的工作壓力。

2.3 無人機(jī)傾斜攝影的原理

傳統(tǒng)航空攝影測量主要是通過飛行器搭載相關(guān)拍攝設(shè)備，在飛行途中對地面進(jìn)行從上而下的垂直俯視角度拍照，而后將照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到最終的真正射影像圖，通過這種方式獲取的影像資料僅有一個(gè)角度，所以對建筑物的一些細(xì)節(jié)不能做到完全反應(yīng)，影響后續(xù)的判斷[5]。傾斜攝影技術(shù)是在正射影像的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，傾斜攝影技術(shù)是通過搭載在一個(gè)無人機(jī)中的多臺攝影鏡頭，從不同的角度分別對物體進(jìn)行成像拍攝，當(dāng)前所用的五鏡頭就是一個(gè)垂直角度，四個(gè)傾斜角度，這樣的拍攝方式可以得到多個(gè)角度的三維圖像數(shù)據(jù)，這樣更加直觀也符合人眼視覺習(xí)慣。

3 無人機(jī)傾斜攝影應(yīng)用案例

3.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目處于某市市中心西北某條道路的南北兩側(cè)，在2016年的城中村改造項(xiàng)目中，僅保留了道路兩側(cè)的臨街店鋪，將城中村其余項(xiàng)目全部進(jìn)行改造，后續(xù)隨著道路拓寬等工程的啟動(dòng)，以及城市發(fā)展的要求，需要將臨街老舊房屋進(jìn)行拆遷改造，測區(qū)東西總長度約為1 500 m，南北約為165 m（含道路），整體呈現(xiàn)出東西向的條帶狀分布，房屋占地約為0.15 km2，共有戶籍住戶297戶，住宅面積約為57 000 m2，并且在項(xiàng)目區(qū)北部還有一定區(qū)域的違規(guī)建筑。此次傾斜攝影拆遷需要將測區(qū)建筑的總體情況及各戶的房屋面積等情況進(jìn)行確定，方便后續(xù)進(jìn)行拆遷規(guī)劃方案的確定，項(xiàng)目要求利用傾斜攝影技術(shù)拍攝的建筑尺寸參照1∶500的地形圖來執(zhí)行，由于設(shè)計(jì)的住戶較多，項(xiàng)目時(shí)間要求緊迫，所以無法進(jìn)行入戶測量，因此決定采用旋翼無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影作業(yè)，然后利用建模技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，然后基于模型進(jìn)行建構(gòu)筑物的采集。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施過程

3.2.1 設(shè)備選擇

本次項(xiàng)目周邊有國家主干輸電線網(wǎng)絡(luò)，考慮到安全和實(shí)用采用多旋翼無人機(jī)來進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施，無人機(jī)型號選擇三和數(shù)碼自主研發(fā)的SH-60X六旋翼，該型號無人機(jī)具有15 km的圖像傳輸距離，以及55 min的超長續(xù)航時(shí)間，可以滿足此次任務(wù)的需要。

3.2.2 控制測量

經(jīng)過前期對測區(qū)的相關(guān)實(shí)地調(diào)查，最終確定布設(shè)像控點(diǎn)25個(gè)，采用三角形進(jìn)行布設(shè)，由于測區(qū)兩側(cè)及中間有明顯的斑馬線，所以選擇兩側(cè)斑馬線作為測區(qū)的角點(diǎn)。布設(shè)完像控點(diǎn)后，就需要實(shí)地進(jìn)行像控點(diǎn)坐標(biāo)的采集。本次坐標(biāo)采集利用千尋賬號，實(shí)地找到位置后，借助氣泡的位置，使桿子與地面垂直，這樣采集的坐標(biāo)才更加準(zhǔn)確。在采集的過程中，嚴(yán)格執(zhí)行每個(gè)坐標(biāo)采集3次，3次之間的較差均要求小于1 cm，最后取3次采集的平均值作為該點(diǎn)的最終采集成果，在采集的過程中，要求狀態(tài)為固定解。

采集點(diǎn)位的同時(shí)，要對實(shí)地照片進(jìn)行拍攝，這樣便于后期內(nèi)業(yè)對點(diǎn)位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。在采集實(shí)地照片時(shí)，要求從多個(gè)角度進(jìn)行采集，其中要求有一張為近景照片，這樣可以準(zhǔn)確看到轉(zhuǎn)刺點(diǎn)的位置，做到像控點(diǎn)坐標(biāo)的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)刺。

同理，為了后續(xù)對生產(chǎn)的模型精度檢測，除了采集像控點(diǎn)外，還在精度薄弱區(qū)域，均勻的采集了檢測點(diǎn)20個(gè)。

3.2.3 采集測量影像數(shù)據(jù)

（1）進(jìn)行航線規(guī)劃，測區(qū)范圍確定之后，就可以根據(jù)所需要的成果類型，成果分辨率進(jìn)行航線規(guī)劃。航線類型一般有4種：蛇形航線、套耕航線、環(huán)形航線、條帶航線。一般在使用多旋翼無人機(jī)測繪過程中，比較常用的是蛇形航線，蛇形航線不需要對一段路進(jìn)行重復(fù)測繪效率較高[6]。本次項(xiàng)目的測區(qū)是條狀測區(qū)，所以采用蛇形航線，航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)主要依靠無人機(jī)自帶軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)航線約為16條。

（2）無人機(jī)飛行作業(yè)，雖然多旋翼無人機(jī)具有較好的穩(wěn)定性，但是在飛行作業(yè)的時(shí)候也盡量選擇風(fēng)力較小的良好天氣下進(jìn)行。首先，要對多旋翼無人機(jī)進(jìn)行組裝，并將測繪所需儀器進(jìn)行安裝，安裝完畢之后進(jìn)行測繪系統(tǒng)地面測試。其次，將測繪飛行的各項(xiàng)參數(shù)輸入到飛行控制系統(tǒng)中去。隨后將旋翼無人機(jī)放飛，并實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)的飛行狀態(tài)及測繪狀態(tài)。最后，飛行結(jié)束之后檢查無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)是否完備詳實(shí)。本次項(xiàng)目全程采用無人機(jī)自動(dòng)引導(dǎo)飛行作業(yè)，由于測區(qū)正北方有高層住宅建筑，所以前期采用100 m高度作業(yè)，地面分辨率設(shè)置為2 cm，航向重疊度設(shè)置為80%，旁向重疊度為75%。

3.2.4 三維建模和修飾

采集數(shù)據(jù)之后利用無人機(jī)系統(tǒng)軟件對GPS觀測值進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)解算，解算后POS固定解數(shù)量控制在98%以上。隨后將無人機(jī)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)三維坐標(biāo)。當(dāng)前無人機(jī)傾斜攝影三維建?；旧隙际侨詣?dòng)建模，這樣省去了大量的內(nèi)業(yè)活動(dòng)，減輕了人員的工作量。本次三維建模采用CC 軟件（Context Capture），在三維建模的時(shí)候不需要人工進(jìn)行過度干預(yù)，便可以將無人機(jī)拍攝的影像自動(dòng)生產(chǎn)較為實(shí)景三維模型[7]，本次項(xiàng)目三維建模主要分為2個(gè)步驟，第一步對航空飛行采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和預(yù)處理，如果發(fā)現(xiàn)影像丟失等情況，可以采取補(bǔ)飛的辦法來再次獲取數(shù)據(jù)。隨后將無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等導(dǎo)入軟件，軟件自動(dòng)進(jìn)行空三加密、密集匹配等工作，最終產(chǎn)出三維模型。本次利用CC軟件在進(jìn)行空三加密時(shí)，當(dāng)?shù)谝淮瓮瓿煽杖用芎?，通過人機(jī)交互方式查看，空三出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，成果不能直接使用。將優(yōu)化后的相機(jī)焦距重新作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行更新已有焦距，然后再次進(jìn)行空三加密，本次加密完成后，成果未出現(xiàn)分層、彎曲現(xiàn)象，只丟失了3張照片，這3張照片位于測區(qū)邊緣，不會對后期建模效果帶來影響，因此將其進(jìn)行忽略。通過查看空三報(bào)告，本次加密成果空三重投影中誤差為0.43個(gè)像元大小，小于經(jīng)驗(yàn)值2/3個(gè)像元，成果精度良好。

結(jié)合電腦配置，瓦片劃分方式采用水平規(guī)則格網(wǎng)，瓦片切塊大小為100 m×100 m，平面簡化設(shè)置為0 m，輸出分辨率設(shè)置為0.02 m，輸出格式選擇通用的OSGB，紋理未壓縮，貼圖質(zhì)量100%。多個(gè)工程建模，分塊原點(diǎn)和模型原點(diǎn)設(shè)置一樣，便于后期對模型成果進(jìn)行替換和接邊。如圖1所示，是本次生產(chǎn)的實(shí)景三維模型中的一部分。

圖1 拆遷區(qū)局部三維模型

3.2.5 精度評定

本次項(xiàng)目檢查點(diǎn)為20個(gè)，利用人機(jī)交互的方式對模型成果精度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示，表中為所有點(diǎn)位的平面和高程誤差統(tǒng)計(jì)。

表1 20個(gè)檢查點(diǎn)的誤差精度 單位：cm

根據(jù)上表可以得到本次平面較差最大為5.2 cm，高程較差最大為9.8 cm，按照中誤差計(jì)算公式可以計(jì)算出20個(gè)點(diǎn)的平面誤差為±3.2 cm，高程誤差為±4.3 cm，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本次傾斜攝影項(xiàng)目誤差滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2.6 三維測圖的制作

本次項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，采用清華山維的EPSV5.0來進(jìn)行DLG數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，將第四小節(jié)所建立的三維模型導(dǎo)入工作站，隨后進(jìn)行高精度高比例地形數(shù)據(jù)的矢量采集，通過DLG數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步的對拆遷區(qū)域內(nèi)房屋的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。由于模型不完整、變形嚴(yán)重等原因引起的無法在模型上準(zhǔn)確采集的部分，需要外業(yè)利用全站儀、RTK等設(shè)備進(jìn)行采集，然后將模型上采集的成果和外業(yè)補(bǔ)充采集的成果進(jìn)行整合整理，形成最終的地籍圖成果。測量之前需要將DLG數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS軟件，自動(dòng)將房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行量測，并根據(jù)《天水市房屋建筑面積測量實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定來確認(rèn)本次項(xiàng)目測區(qū)精度。經(jīng)過檢測可知，本次無人機(jī)傾斜攝影精度達(dá)到了規(guī)定中的二級標(biāo)準(zhǔn)，成果滿足項(xiàng)目拆遷標(biāo)準(zhǔn)。

利用實(shí)景三維模型，不但可以對拆遷成本進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)算，而且可以保留航攝時(shí)的現(xiàn)狀，可以作為一手資料，對于后期加蓋等行為，想多獲取賠償款的，是可以不進(jìn)行賠付的。通過這種方式，有效保護(hù)了居民的利益和政府的利益，為房屋順利拆遷賠付提供了保障。模型精度高，估算出來的賠付款也較準(zhǔn)確，較之前人工摸底測量，不但有效提升了作業(yè)效率，而且降低了作業(yè)成本，為拆遷部門節(jié)約大量資金。

4 結(jié)束語

城市的發(fā)展離不開大量土地資源的保障，為了緩解土地供需的矛盾，需要進(jìn)行老舊房屋的拆遷，傳統(tǒng)拆遷評估的過程中存在突擊加蓋以及阻撓評估人員測量等弊端，無人機(jī)測量可以有效地避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本研究通過工程實(shí)例研究分析了利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對相關(guān)拆遷項(xiàng)目進(jìn)行測繪的全過程，無人機(jī)通過傾斜攝影系統(tǒng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，將信息生成三維模型，并進(jìn)一步制作DLG數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)房屋的邊長尺寸及面積等拆遷所需的基本信息，通過分析發(fā)現(xiàn)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以大大提高拆遷測量的工作效率，并能節(jié)約大量工程開支，促進(jìn)拆遷工作正常有序推進(jìn)。