鄧 飛 竇愛霞 袁小祥

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輕小型無人機在房屋建筑結(jié)構(gòu)類型調(diào)查中的應用1

鄧 飛 竇愛霞 袁小祥

（中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

房屋建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是了解房屋抗震設(shè)防能力的基礎(chǔ)，獲取房屋建筑結(jié)構(gòu)信息具有重要的現(xiàn)實意義。本文在簡單介紹無人機遙感系統(tǒng)、房屋建筑信息無人機遙感調(diào)查技術(shù)流程的基礎(chǔ)上，以全國多地多架次飛行任務(wù)為應用實例，對無人機照片進行篩選、姿態(tài)匹配、照片拼接、紋理映射等處理，獲取了房屋建筑密集區(qū)的正射鑲嵌圖和三維場景模型，然后對房屋建筑結(jié)構(gòu)類型進行目視判讀，并與地面調(diào)查的真實結(jié)果比對分析，計算得到目視判讀的準確率為91.17%，Kappa系數(shù)為0.80。結(jié)果表明，輕小型無人機輕便靈活，獲取的三維場景模型能有效、直觀、準確地進行房屋建筑結(jié)構(gòu)類型判定，可彌補傳統(tǒng)實地調(diào)查的不足，為評估大范圍建筑物的抗震能力提供重要的參考依據(jù)。

輕小型無人機 房屋建筑結(jié)構(gòu) 正射影像 傾斜攝影 三維重建

引言

地震災害是當今危害人類最嚴重的自然災害之一，其中地震引起的建筑物破壞是造成人員傷亡和經(jīng)濟損失的主要原因（周正華等，2008；余世舟等，2014）。房屋建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是了解房屋抗震設(shè)防能力的基礎(chǔ)，也是發(fā)生地震后評估建筑物震害的重要信息。國內(nèi)已有許多學者開展了對房屋建筑結(jié)構(gòu)、抗震性能的研究分析，多采用傳統(tǒng)實地調(diào)查的方法（李書進等，2010；楊欽杰等，2016）。傳統(tǒng)實地調(diào)查或問卷調(diào)查的方法獲得的數(shù)據(jù)準確性較高，但存在耗時長、成本高、工作效率低等缺點。近年來迅速發(fā)展的無人機遙感技術(shù)憑借其機動靈活、作業(yè)成本低、快速響應拍攝任務(wù)、影像空間分辨率高等特點，在房屋建筑信息調(diào)查方面有較廣泛的應用。文獻（魯恒等，2011；丁文銳等，2015；胡勇等，2016）中采用不同方法提取無人機影像中的建筑物，獲取建筑物面積；也可利用無人機影像研究建筑物抗震能力（和仕芳等，2016），提取地震災區(qū)房屋建筑物并進行地震烈度遙感評估（王曉青等，2015）；此外，還可利用無人機傾斜攝影技術(shù)進行建筑物三維建模（曲林等，2015；李頎，2016），服務(wù)于智慧城市建設(shè)。

目前，利用無人機遙感技術(shù)進行房屋建筑結(jié)構(gòu)調(diào)查的相關(guān)研究較少，已有的少量研究也是采用油動型或旋翼型無人機。然而，油動型無人機體積相對較大，部署操作較為復雜；旋翼型無人機操控難度相對較低，但續(xù)航時間短、數(shù)據(jù)獲取能力有限。基于以上不足，本文嘗試利用輕小型電動固定翼無人機，以獲取的正射、傾斜影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，初步探討正射鑲嵌圖和三維場景模型相結(jié)合的目視判讀方法在房屋建筑信息調(diào)查中的應用，研究基于無人機遙感技術(shù)調(diào)查房屋建筑結(jié)構(gòu)類型的可行性。

1 無人機簡介

1.1 無人機遙感系統(tǒng)

無人駕駛飛機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一種集遙測遙控技術(shù)、無線通信技術(shù)、導航定位技術(shù)、定位定姿系統(tǒng)（Positioning and Orientation System，POS）等為一體的無人駕駛航空器。無人駕駛飛機與遙感傳感器技術(shù)相結(jié)合集成的系統(tǒng)，可稱之為“無人機遙感系統(tǒng)（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing System，UAVRSS）”（Watts等，2012；李德仁等，2014），該系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)的組成（李德仁等，2014）

1.2 實驗所用的無人機與載荷

與油動型無人機相比，固定翼型無人機具有部署操作簡單、機動靈活等特點；與旋翼型無人機相比，其又有續(xù)航時間久、飛行高度高等優(yōu)勢，可獲取較大范圍的遙感數(shù)據(jù)。因此，在滿足起降場地的前提下，本研究采用飛馬F系列輕小型固定翼無人機（圖2），規(guī)格性能參數(shù)如表1所示，其具有飛行高度高、速度快、續(xù)航時間久、抗風能力強等特點。該系列無人機采用雙頻差分GPS定位系統(tǒng)，可提供厘米級POS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無控制點或稀少控制點成圖，分別搭載全畫幅相機、傾斜攝影相機兩種載荷，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可獲取正射鑲嵌影像和三維場景模型。

無人機正射鑲嵌圖覆蓋范圍廣、空間分辨率高，可用于宏觀地了解整個區(qū)域地物（如房屋建筑）空間分布、量測地物面積大小等。但其只能提供地物頂部信息，對地物立/側(cè)面信息的了解存在局限性，而無人機傾斜攝影技術(shù)可彌補正射影像的不足。

無人機傾斜攝影技術(shù)以無人機為平臺，搭載多臺傳感器，以垂直、傾斜等不同角度采集數(shù)據(jù)，獲取的地面地物信息更加全面、豐富、準確（張祖勛等，2003；王偉等，2011）。本實驗使用深圳飛馬機器人“1+2”傾斜相機系統(tǒng)（如圖3（a）），其較為輕便，能獲取范圍相對較大區(qū)域的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)與五相機傾斜系統(tǒng)（圖3（b））的工作方式不同，其作業(yè)原理是首先通過下視相機獲取垂直影像，然后兩臺傾斜相機按照航線往返攝影獲取4個方向的傾斜影像，最終獲取前、后、左、右傾斜和垂直5個方向的影像。所以，該“1＋2”無人機傾斜相機系統(tǒng)既可以獲取目標實驗區(qū)的正射鑲嵌圖，用于宏觀把握航拍區(qū)域地物的空間分布、面積、數(shù)量等基本特征，又可獲取傾斜影像，實現(xiàn)具有一定高度的地物三維模型重建，用于識別地物的立/側(cè)面信息，更真實、直觀、全面地反映地物的實際情況。

圖2 固定翼型無人機實體圖

圖3 多角度相機系統(tǒng)

表1 F200飛馬無人機規(guī)格性能參數(shù)

2 房屋建筑無人機遙感調(diào)查的技術(shù)思路

基于輕小型固定翼無人機航攝技術(shù)的房屋建筑信息調(diào)查技術(shù)路線主要包括計劃準備、航飛實施、數(shù)據(jù)處理以及實地詳查等4個階段，每個階段具體實施內(nèi)容和流程如圖4所示。下面簡單介紹計劃準備、航飛實施階段需要注意的事項，重點介紹無人機數(shù)據(jù)處理和實地調(diào)查階段的內(nèi)容。

固定翼型無人機對起降場地有一定的要求，在計劃準備階段應保證選擇的起降場地視野開闊、遠離大功率無線電發(fā)射源、遠離水域及禁飛區(qū)（如：機場、邊境線、軍事設(shè)施區(qū)）。而航飛實施階段需要注意的是：飛機返航后，現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要包括影像色彩和明暗度、有無POS數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)完整性等，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，應采取重飛或補飛的措施。

數(shù)據(jù)處理主要包括航拍相片與POS數(shù)據(jù)匹配、影像畸變差改正、空三解算、相片拼接、紋理映射、三維模型重建等步驟。數(shù)據(jù)處理借助現(xiàn)有無人機數(shù)據(jù)處理軟件photoscan完成，最終可得到正射鑲嵌圖和三維場景模型。由于航攝區(qū)域往往覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)量較大，且包括了多種地物類型，而本文關(guān)注的是房屋建筑，為了減少數(shù)據(jù)處理時間、提高處理效率，選擇覆蓋建筑物密集區(qū)的相片進行處理。數(shù)據(jù)處理完成后，利用地理信息軟件ArcMap10.1和Smart3D軟件的Acute3D Viewer模塊分別對正射鑲嵌圖、三維場景模型進行可視化，根據(jù)解譯標志，利用目視判讀的方法完成對房屋建筑信息的識別，并將目視判讀結(jié)果錄入在ArcMap10.1軟件中。

實地詳查階段主要是驗證目視判讀的房屋建筑信息（本文關(guān)注的結(jié)構(gòu)類型）的準確性，是評價工作成果的重要階段。精度評價以抽樣調(diào)查的方法，進行實地調(diào)查和現(xiàn)場拍照，記錄建筑樣本結(jié)構(gòu)類型并以實地調(diào)查的建筑結(jié)構(gòu)類型為準確數(shù)據(jù)，在室內(nèi)與目視判讀結(jié)果進行比對，最終驗證目視判讀方法是否可行。房屋建筑抽樣以樣本盡量包含各居民點（農(nóng)村居民點、城市居民點和鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地等）、多種房屋結(jié)構(gòu)類型為原則。

圖4 房屋建筑無人機遙感調(diào)查的技術(shù)路線圖

3 應用實踐

基于上述技術(shù)思路，在安徽滁州、安徽六安、四川老北川縣城、山西代縣等地進行了基于無人機航攝的房屋建筑結(jié)構(gòu)信息調(diào)查，航攝區(qū)域包括農(nóng)村居民點、城市居民點和鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地。本文主要介紹在安徽省六安市（實驗區(qū)1）和四川老北川縣城（實驗區(qū)2）的應用情況。

3.1 實驗區(qū)與航攝數(shù)據(jù)

實驗區(qū)1位于安徽省六安市裕安區(qū)，包括徐集鎮(zhèn)、平橋工業(yè)園兩個航攝區(qū)域（如圖5（a）），屬于丘陵地區(qū)，海拔35—50m，地勢相對平坦。平橋工業(yè)園正射影像獲取時間為2016年11月11日，天氣晴好，數(shù)據(jù)質(zhì)量高；徐集鎮(zhèn)數(shù)據(jù)（包括正射和傾斜影像）、平橋工業(yè)園傾斜影像獲取時間分別為2016年12月11日、12日，天氣陰、有云層，光線偏暗。因無人機在低空飛行，有云層時可同樣獲取影像。實驗區(qū)2位于四川省綿陽市老北川縣城曲山鎮(zhèn)（如圖5（b）），是2008年汶川地震受災最嚴重的區(qū)域之一，四面群山環(huán)繞，海拔627—1068m，高差大，地形復雜。航攝時間為2016年12月21日，天氣陰轉(zhuǎn)多云，選擇在中午時分光線較好時進行了航拍。各試驗區(qū)航攝情況如表2所示。

圖5 實驗航攝區(qū)域

表2 無人機航攝數(shù)據(jù)信息表

3.2 數(shù)據(jù)成果與分析

按照數(shù)據(jù)處理流程，選擇覆蓋房屋建筑密集區(qū)的相片進行處理，得到數(shù)據(jù)成果的正射鑲嵌圖與三維場景模型，各實驗區(qū)數(shù)據(jù)成果局部展示如圖6。比較表2和圖6，正射航攝通常航高相對較高，獲取房屋建筑范圍較廣，能直觀獲取航攝區(qū)域房屋建筑的空間分布、數(shù)量、面積以及房頂?shù)刃畔?，但難以從中識別建筑物的高度、層數(shù)、側(cè)面紋理等信息，更難以判定房屋建筑的結(jié)構(gòu)類型（圖6左圖）。而根據(jù)傾斜攝影技術(shù)建立的三維場景模型，可從多角度、全方位了解建筑物立體信息，可更真實地了解房屋建筑情況，彌補了基于正射影像應用的局限性，對房屋建筑結(jié)構(gòu)情況有很好地初定（圖6右圖）。

圖6 正射鑲嵌圖（左圖）與三維場景模型（右圖）

以圖6（a）六安徐集鎮(zhèn)為例，從左側(cè)的正射鑲嵌圖可以統(tǒng)計出房屋建筑共有58棟，通過ArcMap10.1軟件的測量工具計算建筑物總面積約為13432m2。結(jié)合右圖三維場景模型，該可視化區(qū)域內(nèi)房屋樓層均在6層以下，4—5層建筑有13棟，2—3層建筑有27棟，1層建筑有18棟；初步判定房屋建筑以底框結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)為主，有極少數(shù)的磚木結(jié)構(gòu)。所以，正射影像和三維場景模型相結(jié)合可更加全面地了解房屋建筑信息，而三維場景模型在房屋結(jié)構(gòu)識別方面有優(yōu)勢。

3.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)類型識別

3.3.1 解譯標志

房屋建筑具有多種屬性，正射影像、三維場景模型對房屋屬性信息的表達各有側(cè)重，文章針對房屋建筑結(jié)構(gòu)類型進行識別。根據(jù)調(diào)查區(qū)域房屋建筑特點和地震行業(yè)建（構(gòu)）筑物地震破壞等級劃分規(guī)范（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2009），將房屋結(jié)構(gòu)類型分為鋼/鋼筋混凝土柱排架結(jié)構(gòu)廠房、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)等5種結(jié)構(gòu)。各類型在三維場景模型中的判讀標志、三維場景模型中典型實例以及典型類型實地照片如表3所示。

表3 房屋結(jié)構(gòu)判讀標志

3.3.2 房屋結(jié)構(gòu)判讀

根據(jù)上述典型房屋建筑結(jié)構(gòu)類型在三維場景模型中的判讀標志和解譯工作者的經(jīng)驗知識，利用Smart3D軟件的Acute3D Viewer模塊對三維場景模型進行可視化，完成房屋結(jié)構(gòu)的判讀過程。由于ArcMap10.1軟件具有數(shù)據(jù)輸入、可視化、編輯、查詢和強大的空間分析功能，而Acute3D Viewer模塊不具備這些功能，因此在Acute3D Viewer模塊中判讀房屋結(jié)構(gòu)類型的同時，應在利用ArcMap10.1進行可視化的正射鑲嵌圖上做好相對應的判讀結(jié)果記錄，以便與現(xiàn)場調(diào)查的真實結(jié)果進行比對。

3.3.3 實地調(diào)查驗證與分析

實地調(diào)查是驗證目視解譯結(jié)果的重要一步。本實驗抽樣調(diào)查了各實驗區(qū)房屋建筑，總計170個樣本，其中六安徐集鎮(zhèn)60個、平橋工業(yè)園60個、老北川縣城50個。經(jīng)實地走訪發(fā)現(xiàn)，實驗區(qū)房屋建筑結(jié)構(gòu)類型不止判讀標志中5種，還包括土木結(jié)構(gòu)、私自搭建的鋼架棚等，但數(shù)量很少，本文統(tǒng)稱為“其他結(jié)構(gòu)”。

經(jīng)過實地調(diào)查，現(xiàn)場拍照，與遙感判讀結(jié)果比對分析，得到了混淆矩陣（Confusion Matrix），如表4，其中真實房屋建筑結(jié)構(gòu)類型來自現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果。本文采用準確率和Kappa系數(shù)來衡量房屋結(jié)構(gòu)目視判別的精度。準確率是判讀精度較為直觀的表達；而Kappa系數(shù)分析法也是常用來計算分類精度的方法（Congalton，1991），其既考慮了正確判讀的房屋結(jié)構(gòu)類型，也考慮了各類型錯分的情況。準確率為房屋樣本中結(jié)構(gòu)類型目視判定準確的個數(shù)與總樣本個數(shù)的比值，其公式為：

根據(jù)公式（1）、（2）和混淆矩陣，計算得到準確率為91.17%，目視判讀精度較高；Kappa系數(shù)值為0.80，根據(jù)文獻（Feinstein等，1990；Cicchetti等，1990）對Kappa系數(shù)的分類評價標準可知，目視判讀的房屋結(jié)構(gòu)類型與現(xiàn)場調(diào)查真實的結(jié)構(gòu)類型是高度一致的，說明基于無人機遙感調(diào)查房屋建筑結(jié)構(gòu)類型的方法是可行的。

表4 混淆矩陣

續(xù)表

經(jīng)過實地詳查發(fā)現(xiàn)，調(diào)查點房屋建筑以磚混結(jié)構(gòu)、底框結(jié)構(gòu)為主。從表4可以看出，目視判讀主要在底框結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)之間易出現(xiàn)誤判，這兩類結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地。誤判的主要原因是房屋結(jié)構(gòu)復雜，特征不明顯。如：農(nóng)村居民點的低層（1—3層）建筑存在后加蓋的現(xiàn)象，由磚塊堆砌而成，無梁無柱，粉刷外墻之后難以細致判斷其結(jié)構(gòu)類型。此外，沿街建筑存在多種結(jié)構(gòu)類型，底層商用，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；上層居住，采用磚混結(jié)構(gòu)，也存在全部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或是磚混結(jié)構(gòu)，加之判讀特征不明顯，易造成結(jié)構(gòu)的誤判。為降低誤判率，可通過開展大量的事先實地走訪調(diào)查，積累航攝區(qū)域房屋建筑特點的經(jīng)驗知識，然后再進行目視解譯工作，但需要耗費大量人力物力，因此建議將來通過大量實踐增加判讀標志以進一步提高目視判讀的準確率。

4 結(jié)論

本文以無人機獲取的正射影像和傾斜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理生成正射鑲嵌圖并建立三維場景模型，按照房屋建筑信息無人機遙感調(diào)查的技術(shù)路線，初步探討了正射鑲嵌圖和三維場景模型相結(jié)合的目視判讀方法在房屋建筑信息調(diào)查中的應用，研究了基于無人機遙感技術(shù)調(diào)查房屋建筑結(jié)構(gòu)類型的可行性，得出了以下幾點結(jié)論：

（1）正射鑲嵌圖、三維場景模型對房屋建筑信息表達各有側(cè)重。前者可宏觀把握建筑物的空間分布，用于了解建筑物的面積、數(shù)量以及房頂材料等信息；后者對房屋建筑側(cè)面紋理、高度、樓層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型等有較好的表達。

（2）在應用實例中，以目視判讀三維場景模型的方法識別房屋結(jié)構(gòu)類型，計算得到的判讀結(jié)果準確率為91.17%，準確率較高；Kappa系數(shù)為0.80，表明目視判讀的房屋結(jié)構(gòu)類型與實地調(diào)查的真實結(jié)果高度一致，說明基于無人機遙感調(diào)查確定建筑物結(jié)構(gòu)類型方法是可行的。

（3）針對因房屋特征不明顯而出現(xiàn)誤判的情況，建議將來通過大量實踐來增加判讀標志來改善。同時，為建立更精細的三維場景模型，應選擇天氣晴好的條件下航拍，且保證無人機具有較高的航向、旁向重疊率。

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Application of Light-small Unmanned Aerial Vehicle inInvestigating Structural Types of Buildings

Deng Fei, Dou Aixia and Yuan Xiaoxiang

(Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China)

The data of building structure is the basic information of seismic fortification and to gain the data has important practical significance. In this paper we introduced a system of unmanned aerial vehicle remote sensing (UAVSS) and technique of investigating building information by using unmanned aerial vehicle (UAV). Firstly, taking some flight missions as application examples, we conducted some processing steps, which include screening photos, matching posture, stitching images and texture mapping. Then we obtained the orthographic mosaic images and 3-Dimensional scene models in building compact districts. Secondly, the structural types of buildings are interpreted by visual method using 3-Dimensional scene models, and the visual results are compared with realistic consequences of ground surveys. Finally, the visual interpretation accuracy is calculated. The value of accuracy is 91.17% and the Kappa coefficient is 0.80. The result shows that the light-small UAV is flexible and convenient. Using 3-Dimensional scene models which are acquired by UAV, we can directly and accurately interpreted the information of building structure. The approach can make up for the inadequacy of traditional field investigation and provide significant reference frame for a wide range of building aseismic capability assessment.

Light-small unmanned aerial vehicle (UAV); Building structure; Orthophoto; Oblique photography; 3-Dimensional reconstruction

10.11899/zzfy20170407

中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項（2013IES0204）；地震行業(yè)科研專項（201508010）

2017-04-11

鄧飛，男，生于1991年。碩士研究生。主要從事遙感與GIS應用研究。E-mail：feid163@163.com

鄧飛，竇愛霞，袁小祥，2017．輕小型無人機在房屋建筑結(jié)構(gòu)類型調(diào)查中的應用．震災防御技術(shù)，12（4）：786—796．