謝鑫淳 韋曉玲

（汕頭市建筑設(shè)計院有限公司，廣東 汕頭 515041）

0.引言

社會的發(fā)展是一個不斷進行再建設(shè)的過程，搬遷是對原有建筑進行拆除并在新的規(guī)劃區(qū)域重新建設(shè)[1]，其目的是更加合理地進行城鎮(zhèn)規(guī)劃，合理利用日益緊張的國土資源。在煤礦資源較為豐富的地區(qū)，大量的煤炭資源在村莊地下壓蓋，不僅采煤易出現(xiàn)塌陷區(qū)，對村莊房屋造成破壞，并且隨著煤礦企業(yè)的不斷發(fā)展，在煤炭的勘探、運輸、清洗甚至加工過程中等，都會對村莊環(huán)境造成破壞，不利于人們的正常生活與生產(chǎn)工作，煤礦附近村莊居民與煤礦企業(yè)易產(chǎn)生矛盾。因此為避免當?shù)鼐用衽c煤礦企業(yè)的糾紛，往往采用村莊搬遷的方式解決土地之爭。以往的礦區(qū)搬遷村莊的勘測方法較為繁瑣，主要利用全站儀結(jié)合激光測距儀[2]，對測區(qū)范圍內(nèi)的建筑物進行逐點測量，獲取精確的點位坐標和距離信息，然后將外業(yè)測量成果數(shù)字化成圖后，分別計算各建筑物面積。該傳統(tǒng)勘察方法工作效率低，需要大量的外業(yè)工作量，且對測量人員的要求比較高，無論從工作效率和成果精度上，還是從投入成本與時間成本上，都已不是最優(yōu)的測量方法。此外，通過全站儀測量獲取的數(shù)據(jù)信息較為單一，無法直觀描述搬遷房屋的各類信息[3,4]，因此需要在滿足精度的條件下，選擇更為高效的測量技術(shù)手段和方法開展搬遷村莊的測量工作。

無人機技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，為測量行業(yè)帶來了巨大的進步，彌補了常規(guī)測量手段的不足，提高了作業(yè)效率，其高度的自動化，能極大地節(jié)省人力資源和外業(yè)工作成本。本文利用無人機航空攝影（RS）結(jié)合GPS控制點，快速精確獲取研究區(qū)影像，通過Smart3D軟件進行實景三維模型制作，直觀再現(xiàn)搬遷房屋情況，并且可以快速準確獲取房屋坐標及面積。基于傾斜攝影數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺二次開發(fā)搬遷房屋調(diào)查管理平臺，進而對壓煤村莊的搬遷過程及成果進行信息化管理，為搬遷工作提供科學(xué)、客觀的補償依據(jù)。

1.項目實例探究

1.1 研究區(qū)概況

興隆莊街道位于山東省濟寧市兗州區(qū)的東南部[5]，該地區(qū)礦產(chǎn)資源極為豐富，但共存有18個壓煤村莊，村莊壓覆了大量的煤炭資源[6]，村莊房屋嚴重制約了該地區(qū)的煤炭資源的開發(fā)利用，阻礙了礦產(chǎn)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，并且由于當?shù)孛旱V的開采，村莊周邊出現(xiàn)很多塌陷地，煤礦開采產(chǎn)生的煤塵對空氣質(zhì)量也造成很大的影響，對當?shù)鼐用竦纳钌a(chǎn)帶來極大的不便，因此搬遷工作迫在眉睫。

1.2 測區(qū)控制網(wǎng)布設(shè)

本研究以濟寧市兗州區(qū)2018年度的遙感衛(wèi)星影像作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該衛(wèi)星遙感影像為高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其分辨率為0.8m，根據(jù)測區(qū)遙感影像進行研究區(qū)范圍內(nèi)的作業(yè)區(qū)劃分、航線設(shè)計以及像控點布設(shè)等工作?？紤]到研究區(qū)及附近有山東省國土測繪院在2005年施測的濟寧市C級GNSS（Global Navigation Satellite System）控制網(wǎng)點，且這些控制網(wǎng)點均聯(lián)測了三等水準，采用的是SDCORS（Shandong Continuous Operational Reference System）測繪技術(shù)，通過申請SDCORS服務(wù)，僅采用一臺高精度RTK，對所選取區(qū)域的三個控制網(wǎng)點進行平面及高程測量的精度檢查，檢查結(jié)果（如表1所示）。對比表1中的計算值和規(guī)范允許值，可得出控制點的精度較為可靠，限差滿足規(guī)范要求，因此選取這三個點名的控制點作為研究區(qū)內(nèi)各測量點位的平面坐標及高程數(shù)據(jù)的起算點和檢核點。在實測中每個控制點均進行兩次獨立觀測，當兩次觀測結(jié)果的平面和高程較差均小于5cm時，取兩次觀測值的平均值作為最終的測量結(jié)果；若精度超限則需進行重新觀測。

表1 控制點檢核表 單位：m

1.3 航攝規(guī)劃及像控點布設(shè)

航攝規(guī)劃是飛行平臺采集過程極為重要的一個環(huán)節(jié)，規(guī)劃的好壞直接影響著航攝影像質(zhì)量的高低。為獲取高質(zhì)量的傾斜影像，航線規(guī)劃需要考慮諸多因素，包括測區(qū)范圍、復(fù)雜地形地貌以及相對高程、重疊度等相關(guān)測量技術(shù)指標。研究區(qū)總面積近54km2，測區(qū)范圍較大，一方面考慮到測區(qū)村莊分布零散、無人機續(xù)航能力有限[7]；另一方面為了提高外業(yè)作業(yè)效率，節(jié)省人力物力，將測區(qū)劃分為5個航測區(qū)，并將無人機采集隊伍分為兩隊，同時開展測量工作，極大方便了對測區(qū)數(shù)據(jù)的采集工作，提高了外業(yè)工作效率，大大減少了外業(yè)工作時間。

像控點的布設(shè)是攝影測量外業(yè)工作的重點，其布設(shè)應(yīng)滿足航空攝影測量外業(yè)技術(shù)規(guī)范，應(yīng)特別注意：

（1）布設(shè)控制點遠離密集建筑物、大型水域以及電磁干擾較大區(qū)域；

（2）應(yīng)布設(shè)于明顯紋理或者顏色差異較大區(qū)域，如，道路交叉口或者晾曬場拐角；

（3）布設(shè)于航片重疊區(qū)域，避免在像片邊緣；

（4）根據(jù)航線統(tǒng)一布點，不能超出圖幅范圍。

根據(jù)前期規(guī)劃研究，為適應(yīng)當?shù)卮迩f的測區(qū)分布，研究區(qū)域像控點布設(shè)采用矩形布網(wǎng)方案，受地形影響無法滿足時，可采用凹、凸形布點[8]。此次測量共計選取15個不同位置的像控點，結(jié)合影像POS數(shù)據(jù)進行空中三角測量。像控點空三解算質(zhì)量報告（如表2所示），重投影中誤差均在1個像素點以內(nèi)，準確度相對較高；像控點水平中誤差為0.0059m，垂直中誤差為0.0028m，滿足規(guī)范要求的平面中誤差小于0.4m、高程中誤差小于0.35m的要求，表明所布設(shè)的像控點精度相對較高，完全滿足于該地區(qū)實景三維模型的構(gòu)建。

表2 像控點精度評定

1.4 三維建模

本文采用低空無人機傾斜攝影測量技術(shù)對待搬遷村莊進行測量，獲取傾斜攝影測量數(shù)據(jù)，并使用Smart3D構(gòu)建出搬遷村莊的三維立體模型。Smart3D能夠充分使用POS的初始定位精度，并且在POS初始精度滿足要求的情況下，僅根據(jù)少量的控制點就可以完成較高精度的絕對定向，Smart3D建立的待搬遷村莊的三維模型（如圖1所示），其中A為村莊廠區(qū)廠房模型，B為待搬遷村莊的平房模型，C為村落一角展示，D為樓房模型。三維模型展示結(jié)果表明，構(gòu)建的三維模型可真實再現(xiàn)實地場景，能夠較為清晰表現(xiàn)出拍攝時的房屋情況，建模成果可以為搬遷房屋的調(diào)查工作提供相對客觀真實的影像存檔。

圖1 待搬遷村莊三維實景立體模型

1.5 模型精度檢核

精度評價是檢驗三維模型建立質(zhì)量的重要步驟和必不可少的環(huán)節(jié)，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對三維模型的平面精度和高程精度進行檢驗。在完成測區(qū)實景三維模型的構(gòu)建工作后，對三種像控點布設(shè)方案所得到的三種實景三維模型的精度進行分析評定，以測區(qū)內(nèi)檢核點坐標值為真值，分別計算各模型點位平面中誤差和高程中誤差，對模型精度進行構(gòu)建得到的模型做點位精度分析。中誤差計算式如式（1）所示：

式（1）中，m為各方向中誤差；△為各方向真誤差；n為檢核點數(shù)量。

平面中誤差可根據(jù)X、Y方向的中誤差進行求解，其計算式如式（2）所示：

本文實地選取了246個房屋拐角、硬化路面拐角等明顯點位，使用全站儀和SDCORS系統(tǒng)實地測量點位，以測區(qū)控制點為定向起算邊，采用兩次儀器高對每個測量點位均進行兩次獨立觀測，取其算數(shù)平均值為點位最終測量結(jié)果，對所構(gòu)建的實景三維模型的精度進行綜合分析；同時在研究區(qū)范圍內(nèi)選取148個地物特征較為明顯的特征點，使用激光測距儀、鋼卷尺等儀器對相鄰特征點之間的距離進行精確丈量，將其測量結(jié)果與實景三維模型量測的邊長進行綜合比對，檢驗實景三維模型的相對精度。三維模型精度檢核結(jié)果分析（如圖2所示），單位均為cm。其中，A幅為平面坐標中誤差；B幅為高程中誤差；C幅為相對地物距離中誤差。

圖2 模型精度圖

通過對礦區(qū)搬遷村莊的實景三維模型進行精度評定可得，模型平面坐標中誤差、高程中誤差及相對精度中誤差分別為0.0456m、0.0288m和0.0431m，均小于0.05m，符合《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》中對精細模型級別的平面精度要求。因此，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，構(gòu)建礦區(qū)搬遷村莊的實景三維模型，其成果精度相對較高，可作為礦區(qū)村莊搬遷過程中的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時，相對于傳統(tǒng)的測量手段，無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以大大減少人力物力，提高工作效率，其成果所包含的豐富的信息也可避免各種不必要的糾紛。

2.礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

為更好地服務(wù)村莊搬遷工作的開展，將搬遷工作可視化，便于實時指揮與后期規(guī)劃，將無人機傾斜攝影測量獲取的村莊數(shù)據(jù)更好地應(yīng)用于搬遷工作，本文根據(jù)礦區(qū)村莊搬遷具體需求，結(jié)合研究區(qū)實際情況，在Skyline平臺基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)“礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要以無人機采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，根據(jù)搬遷相關(guān)工作需求，開發(fā)了相對較為完善的功能，主要可分為四大板塊，分別為數(shù)據(jù)輸入板塊、幾何量算板塊、信息查詢板塊、成果輸出板塊，基本涵蓋了礦區(qū)村莊搬遷所需要的大多數(shù)功能板塊。

數(shù)據(jù)輸入板塊可支持多種數(shù)據(jù)類型的導(dǎo)入，主要包含OSGB模型數(shù)據(jù)、SHP數(shù)據(jù)以及CAD數(shù)據(jù)等，既包含了二維矢量數(shù)據(jù)的錄入，也涵蓋了三維模型數(shù)據(jù)；幾何量算板塊主要是對各類幾何建筑進行精確量算，主要包含距離量算和面積量算兩大類，方便管理人員對礦區(qū)搬遷村莊的房屋、院落等空間幾何信息的獲??；信息查詢板塊主要是方便管理者對礦區(qū)搬遷村莊的詳細信息進行查閱，查詢內(nèi)容包含房屋院落信息、詳細位置、家庭成員等；成果輸出板塊主要是依據(jù)礦區(qū)實際情況，根據(jù)管理人員和居民戶的需求，設(shè)計開發(fā)了房屋院落調(diào)查表格，可將房屋院落信息查詢結(jié)果批量導(dǎo)出，兼具分組管理，可按照需求按村、組、隊進行分組導(dǎo)出。

2.2 礦區(qū)村莊搬遷房屋信息化管理

礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)對礦區(qū)村莊的搬遷工作有著極大的促進作用，主要分為以下3個方面：

（1）將外業(yè)詳細調(diào)查數(shù)據(jù)導(dǎo)入礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)后，可以方便快捷地進行數(shù)據(jù)信息查詢和分類統(tǒng)計，基本實現(xiàn)了礦區(qū)村莊數(shù)據(jù)的信息化管理工作；

（2）該系統(tǒng)支持礦區(qū)村莊實景三維模型存檔數(shù)據(jù)的在線量測，對村莊勘察時的房屋、院落的真實情況進行詳細復(fù)現(xiàn)，方便管理者和居民戶對數(shù)據(jù)進行進一步復(fù)核；

（3）避免居民糾紛，促進礦區(qū)村莊搬遷工作的實施和推進。

系統(tǒng)主要功能介紹（如圖3所示），其中A為系統(tǒng)空間距離量算界面，圖中2個高亮點間的連線即為兩點間空間距離；B為面積量算界面，圖中4個高亮點構(gòu)成閉合平面，即可解算所選擇區(qū)域面積；C為信息查詢界面；D為成果信息展示界面。

圖3 礦區(qū)村莊搬遷信息管理系統(tǒng)

3.結(jié)束語

無人機具有低空靈活機動等特點，在各行各業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，而礦區(qū)村莊尤其是壓煤村莊，分布較為零散，傳統(tǒng)勘察方法費時費力，采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，可極大提高搬遷村莊的勘察效率，降低工作強度。通過建立礦區(qū)搬遷村莊的三維實景模型，可為礦區(qū)村莊的搬遷工作提供真實、直觀、可追溯的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；設(shè)計開發(fā)礦區(qū)村莊搬遷房屋調(diào)查管理系統(tǒng)，兼具數(shù)據(jù)導(dǎo)入、信息查詢、幾何量算及成果導(dǎo)出功能，實現(xiàn)了礦區(qū)村莊的信息化管理，大大提高了數(shù)據(jù)管理和利用效率，為礦區(qū)村莊數(shù)據(jù)入庫等工作奠定了基礎(chǔ)。