黃德倫 廉 琦

貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪院，貴州貴陽(yáng) 550018

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)，其改變了傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)航攝影像只能獲取垂直方向影像的限制，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，搭載5臺(tái)多方位傳感器，從正射和周?chē)膫€(gè)角度對(duì)地面情況進(jìn)行攝影，從而獲的垂直方向、側(cè)視方向等不同角度的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)三維建模，就可以逼真的反映地面物體的實(shí)際面貌，客觀的呈現(xiàn)地面建筑物的外型、結(jié)構(gòu)和高度等屬性。因此，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展，獲取地面物體三維信息的能力越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，滿足人們對(duì)三維信息的需要。將獲取的三維立體數(shù)據(jù)用于建模，獲取棚戶區(qū)三維立體模型，給監(jiān)管部門(mén)提供直觀真實(shí)的三維景觀情況。通過(guò)不定期三維模型更新獲取相應(yīng)模型變化數(shù)據(jù)，從而獲得相關(guān)區(qū)域的變化信息，便于監(jiān)管部門(mén)做好監(jiān)管工作，提高工作效率，降低工作難度和成本。

目前，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)主要依賴無(wú)人機(jī)等空中飛行平臺(tái)，從根本上將傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了一次大的提升，同時(shí)促進(jìn)了測(cè)量精度的提高，該技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中。

本文將對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在本項(xiàng)目的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，希望能為有關(guān)方面提供一些有效幫助。

1 項(xiàng)目具體情況

項(xiàng)目區(qū)位于縣城周邊，由于國(guó)家加大對(duì)城市周邊棚戶區(qū)改造力度，該區(qū)域現(xiàn)納入棚戶區(qū)改造計(jì)劃。由于老百姓對(duì)棚戶區(qū)改造有所了解，導(dǎo)致違法亂建十分猖獗、平凡，這種“種房”行為帶來(lái)了很多不良影響和安全隱患，也給后期城市統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)和棚戶區(qū)拆遷帶來(lái)很多困難。為了促進(jìn)城市的健康發(fā)展，必須加強(qiáng)對(duì)棚戶區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和違法建筑的拆除處理。

貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪院現(xiàn)承擔(dān)貴州某縣城城市周邊棚戶區(qū)違法亂建建筑拆遷監(jiān)測(cè)任務(wù)，按照傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)要求，采用傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行違法建筑測(cè)量，工作強(qiáng)度大、效率低、成本高、工期長(zhǎng)，不利于及時(shí)反饋違法建筑信息給主管部門(mén)，再加上棚戶區(qū)處于城市重要地段，違法亂建頻繁，政府監(jiān)管難度較大；其次，如果采用傳統(tǒng)攝影測(cè)量，只能獲取正射影像，雖能發(fā)現(xiàn)部分違法建筑，但是很難掌握違建的數(shù)量、樓層和相關(guān)結(jié)構(gòu)，要獲取違建建筑具體情況，還要實(shí)地核實(shí)取樣，難度依然不小，基于以上特點(diǎn)，結(jié)合我單位現(xiàn)有技術(shù)，決定采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)加三維建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)棚戶區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，將有關(guān)變化區(qū)域及變化情況及時(shí)提供給主管部門(mén)，保證其對(duì)違法建筑或者正在進(jìn)行的違法建設(shè)行為進(jìn)行管控，提高其管理效率，降低其管理難度，節(jié)約其管理成本，同時(shí)也增加了測(cè)量新技術(shù)在現(xiàn)有社會(huì)中的應(yīng)用前景。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

近年發(fā)展起來(lái)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以在大范圍內(nèi)，超高清晰度和高精確度地全面拍攝復(fù)雜場(chǎng)景，通過(guò)高效率、快速性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，直觀地反映復(fù)雜環(huán)境的整體外觀、地物相關(guān)位置和地物高度等屬性，為復(fù)雜場(chǎng)景的真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供有效保證。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，本文將此技術(shù)應(yīng)用于城市棚戶區(qū)違建監(jiān)測(cè)。通過(guò)三維建模，在測(cè)繪行業(yè)、城市規(guī)劃行業(yè)、旅游業(yè)等行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，越來(lái)越深入。

傾斜攝影原理就是以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，由單一正射傳感器演變?yōu)槎喾轿粋鞲衅?，現(xiàn)常用5個(gè)鏡頭的相機(jī)。攝取影像范圍更廣，利用傾斜攝影測(cè)量獲得影像數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云信息后處理，快速有效地實(shí)現(xiàn)三維立體模型構(gòu)建。在建筑物外表面模型的構(gòu)建過(guò)程中，傾斜攝影技術(shù)獲得的垂直影像和傾斜影像的優(yōu)點(diǎn)就顯現(xiàn)出來(lái)了，傾斜攝影技術(shù)獲取的多視角影像數(shù)據(jù)可以更好地觀察建筑物各個(gè)側(cè)面，這一顯著特點(diǎn)有效地滿足了生成建筑物表面紋理的需要。對(duì)同一區(qū)域拍進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，可以快速獲取相關(guān)區(qū)域的三維立體模型。垂直和傾斜攝影原理如圖1所示。

圖1 垂直和傾斜攝影原理

航線設(shè)計(jì)需要的條件是無(wú)人機(jī)飛行的高度。航高需要根據(jù)項(xiàng)目要求，選取合適的地面分辨率，綜合分析傾斜相機(jī)的各項(xiàng)性能，來(lái)求其計(jì)算公式。相關(guān)運(yùn)算公式為：

式中：H—航攝高度（m）；f—鏡頭焦距（mm）；α—像元尺寸（mm）；GSD—地面分辨率（m）。

航空攝影測(cè)量規(guī)范要求，航向重疊度一般是60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般是15%～60%，最小不小于8%。但是無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)要求更高，規(guī)范要求的旁向重疊度是不夠的。根據(jù)該棚戶區(qū)實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用67%重疊。

在無(wú)人機(jī)傾斜攝影時(shí)無(wú)法保證航向覆蓋大于攝區(qū)邊界線兩條基線的基本要求，旁向覆蓋大于攝區(qū)邊界線像幅的50%。因此，綜合分析項(xiàng)目區(qū)的地形、建筑密度和高差等情況，按照如下公式計(jì)算航線外展的寬度。計(jì)算公式如下：

式中：L—外展寬度；H1—相對(duì)航高；tan θ —相機(jī)傾角；H2—基準(zhǔn)面高度；H3—測(cè)區(qū)邊緣最低點(diǎn)高度；L1—半個(gè)像幅對(duì)應(yīng)的水平距離。

像控測(cè)量是為了保證空三加密的精度，確定地面建筑物的空間中絕對(duì)位置。傾斜攝影測(cè)量相對(duì)于傳統(tǒng)攝影測(cè)量在影像重疊度上要求更高，無(wú)人機(jī)通常采用GPS定位模式，自身帶有POS數(shù)據(jù)，可以提高空三計(jì)算的準(zhǔn)確度。

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍的傾斜攝影數(shù)據(jù)，利用建模軟件建模，將攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形計(jì)算，結(jié)合POS信息空三處理，生成點(diǎn)云，點(diǎn)云構(gòu)成格網(wǎng)，格網(wǎng)結(jié)合影像生成賦有紋理的空間三維立體模型。針對(duì)城市棚戶區(qū)這樣復(fù)雜的航攝區(qū)域，能夠確保航攝時(shí)的靈活性。同時(shí)，通過(guò)傾斜攝影測(cè)量這項(xiàng)測(cè)繪新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)棚戶區(qū)違法建筑的數(shù)據(jù)不斷更新，及時(shí)有效的為城市棚戶區(qū)管理提供更真實(shí)合理的執(zhí)法依據(jù)和管理效能。

3 三維模型構(gòu)建

現(xiàn)階段市場(chǎng)上使用的建模軟件有很多，如Bently公司的ContextCapture（Smart3D），Agisoft公司的PhotoScan，Pix4D公司Pix4Dmapper，我們采用的是Smart3D，它是一套無(wú)需人工干預(yù)，通過(guò)影像自動(dòng)生成高分辨率的三維立體模型。Smart3D通過(guò)一組相對(duì)靜態(tài)的建模主體，以多角度獲取的數(shù)碼影像作為數(shù)據(jù)源。這些影像數(shù)據(jù)需要傳感屬性、照片位置參數(shù)、照片姿態(tài)參數(shù)、像控點(diǎn)等信息輔助。它不需要人工干預(yù)，在幾小時(shí)的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小，獲取逼近真實(shí)紋理的高分辨率三角格網(wǎng)模型，這個(gè)模型能夠精準(zhǔn)的復(fù)原出建筑物的真實(shí)色彩、幾何形態(tài)和文理細(xì)節(jié)構(gòu)成。Acute3DViewer支持軟件的原生s3c格式來(lái)查看瀏覽模型，它也整合了三維測(cè)量工具和瓦片選擇工具，測(cè)量方面包括三維空間位置、三維距離和高差等信息。這里的瓦片選擇工具用于后期模型的核心區(qū)域提取和重建。

4 城市棚戶區(qū)三維立體模型生產(chǎn)成果

城市棚戶區(qū)違法亂建航攝過(guò)程中，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，按照一定的重疊度和航線條數(shù)，通過(guò)數(shù)萬(wàn)的曝光點(diǎn)獲取相應(yīng)的照片，平均的分辨率為4cm，最高要達(dá)到3cm。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量后可以獲取如圖2和圖3的正射影像和傾斜影像。航攝區(qū)域飛行完成后，利用相關(guān)解壓軟件對(duì)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，再利用衛(wèi)星星歷進(jìn)行精密解算，得出航攝區(qū)域影像數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)系成果，從而獲取良好的定位信息。

圖2 正射拍攝影像

圖3 傾斜拍攝影像

在獲取相關(guān)的影像數(shù)據(jù)后，通過(guò)野外像控測(cè)量獲得的控制點(diǎn)成果，通過(guò)Smart3D軟件進(jìn)行三維建模，主要采用主從模式（Master-Worker），在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多個(gè) ContextCaptureEngine，并將它們關(guān)聯(lián)到工作站集群處理，大幅降低處理時(shí)間。從而獲取相應(yīng)的三維立體模型。如圖4所示，通過(guò)三維立體模型圖，就可清楚的查看城市棚戶區(qū)內(nèi)哪些房屋是違法建筑，便于政府監(jiān)督管理部門(mén)實(shí)時(shí)掌握該區(qū)域違法亂建活動(dòng)。

圖4 三維立體圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)踐得出，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量+三維立體模型在城市棚戶區(qū)違反亂建監(jiān)管中起到了良好作用，大大節(jié)省了違法建設(shè)監(jiān)督的人力、物力，降低了政府違建監(jiān)督檢查成本，同時(shí)也更加科學(xué)的規(guī)范了城市用地監(jiān)督管理，值得推廣使用。通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)踐，可以預(yù)測(cè)該技術(shù)將來(lái)在城市規(guī)劃、旅游開(kāi)發(fā)、公路、鐵路建設(shè)，河流污染、環(huán)境保護(hù)等方面將發(fā)揮積極作用。