王千秋 鄭創(chuàng)彬 李俊杰

（1.廣東東軟學院 廣東省佛山市 528225 2.深圳智航無人機有限公司 廣東省深圳市 518100）

隨著我國城市化進程的不斷推進，棚戶區(qū)作為我國城市化發(fā)展的必然現(xiàn)象，具有長期的歷史原因和社會原因，棚戶區(qū)的整治改造也成為城市發(fā)展的重點。對巨量的老舊小區(qū)進行翻新和改造，不僅是對各級政府的一場考驗，也為房地產(chǎn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展提供了更多的市場機遇。棚戶區(qū)在改造過程中，需對范圍內(nèi)部分老舊建筑進行外立面翻新或整棟拆遷，而在設(shè)計階段中，則需對改造范圍內(nèi)建筑有較為直觀的認識。棚戶區(qū)建筑物年代久遠、錯綜復雜、亂搭亂建等問題導致傳統(tǒng)方法測算統(tǒng)計房屋建筑面積工作量大、效率低下、周期不可控等問題的出現(xiàn)[1]。利用谷歌衛(wèi)片無法觀測建筑物高度，觀測精度不高。因此，我們需要探索新的技術(shù)手段來完成高效準確的建筑物測量。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)和三維激光掃描雷達技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，為城市實景三維建模提供了新的技術(shù)路徑，使得解決傳統(tǒng)測繪技術(shù)中遇到數(shù)據(jù)調(diào)查困難的問題成為可能。無人機傾斜攝影技術(shù)擁有快速高效、機動靈活、成本低等優(yōu)點，已逐步打破常規(guī)測量的工作模式，在測繪行業(yè)的表現(xiàn)可圈可點，并逐漸成為智慧城市建設(shè)和舊城區(qū)改造的主要技術(shù)手段[2]。

本文通過實例分析，在數(shù)據(jù)采集階段主要采用了傾斜攝影測量技術(shù)和三維激光掃描雷達技術(shù)，同時結(jié)合ContextCapture、EPS等多種建模軟件設(shè)計實景三維模型，探究了無人機傾斜攝影測繪技術(shù)在棚戶區(qū)改造三維建模中應(yīng)用的技術(shù)路徑。生成的模型可以進行標高量測，建筑尺寸、高度量測，拆遷面積預測算等工作，通過植入改造后模型，可實現(xiàn)現(xiàn)狀與設(shè)計對比，為城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造、鄉(xiāng)村振興、礦區(qū)環(huán)境治理等項目的勘察、設(shè)計、結(jié)算審核提供可視化、高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息和設(shè)計依據(jù)。

1 傾斜攝影測量技術(shù)與三維激光雷達掃描技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是國際攝影測量領(lǐng)域近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)是在無人機飛行器中布置多臺傳感器，以實現(xiàn)一個垂直、四個傾斜，五個不同的角度同時拍攝成像，提取大量的建筑物頂面及側(cè)視的高清晰圖像。它不但能夠貼切地反映地物情況，精準地提取物方紋理信息，還能利用最領(lǐng)先的定位、建模、融合等高新技術(shù)，生成真實的三維城市模型[3]。傾斜攝影測量技術(shù)以大范圍、高靈敏、高精度的方式全面感知周邊的復雜環(huán)境，同時采用先進高效的數(shù)據(jù)采集裝置和專業(yè)的數(shù)據(jù)分析原理，所生成的數(shù)據(jù)分析成果直觀準確地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保障[4-6]，因此傾斜攝影建模數(shù)據(jù)也逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。無人機傾斜測繪技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

（1）真實性強。不同于傳統(tǒng)的正射影像，傾斜攝影測繪技術(shù)從不同的角度和方位進行攝影測量，所以測量的數(shù)據(jù)更加真實、豐富地反映地物外觀、位置、高度等屬性，給用戶呈現(xiàn)符合人眼視覺的真實直觀世界。

（2）高效。傾斜攝影相機可借助無人機，快速采集影像數(shù)據(jù)，配合自動建模系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化三維建模，給測繪領(lǐng)域帶來革命性的效率提升。

三維激光雷達掃描技術(shù)又可以稱為“實景復現(xiàn)技術(shù)”，可搭載于無人機飛行器，將采集的三維建模數(shù)據(jù)和三維點云數(shù)據(jù)通過標準接口的格式轉(zhuǎn)換為其他建模軟件直接使用。以三維激光掃描儀為例，無論何種掃描儀，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。通常由一臺高速精確的激光測距儀，搭配上一組可以引導激光以均勻的角速度進行掃描的反射棱鏡便完成了三維激光掃描儀的主體構(gòu)造。激光測距儀通過自主發(fā)射激光，并接受由自然物表面反射的信號便可以對距離進行測量，針對多個不同的掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，即可計算出每個掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，那就可得到每一個掃描點的三維坐標[7]。以徠卡某型號三維激光掃描儀為例，此類掃描儀是通過反射鏡進行垂直角度的掃描，而水平方向則是通過伺服馬達轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過后期處理，可逼真再現(xiàn)三維實景。

2 應(yīng)用案例

2.1 項目概況

測區(qū)位于長沙市西文廟坪的棚戶區(qū)、測區(qū)面積約0.3 km2，測區(qū)內(nèi)房屋密集，單靠正射航空影像無法分辨建筑層數(shù)，有些建筑由于后期改造重建建筑面積變化量較大，測區(qū)內(nèi)存在大量違建亂建，導致拆遷補償評估工作量巨大。棚改項目中需要具備高精度的建筑面積數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，需要獲取現(xiàn)勢性較好的三維模型以及需要統(tǒng)計房屋建筑量，同時對沿街面的建筑需要進行高精度的立面數(shù)據(jù)采集用于后期景觀提升設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時開展測量工作也不能影響居民的正常工作生活。無人機傾斜攝影測量技術(shù)和激光雷達掃描技術(shù)互相融合能很好地解決以上問題。本方案采用無人機掛載5鏡頭傾斜攝影相機對整體片區(qū)進行GSD為1.5厘米/像素的高精度三維建模，由于棚戶區(qū)道路狹窄建筑立面互相遮擋、電線交錯縱橫等環(huán)境復雜，導致無人機采集的傾斜模型屋檐下、墻面互相遮擋區(qū)域出現(xiàn)破洞和拉花現(xiàn)象，所以采用三維激光掃描儀對沿街建筑的立面進行采集，兩種方案有機配合優(yōu)劣互補。

測區(qū)范圍線如圖1所示。

圖1：測區(qū)范圍線

2.2 作業(yè)流程

運用無人機搭載傾斜相機或激光掃描儀對現(xiàn)有場景進行多角度環(huán)視拍攝，然后利用三維實景建模軟件ContextCapture進行處理實現(xiàn)1：1還原實景三維的模擬展示。三維實景建模系統(tǒng)在使用中，能夠?qū)δＰ瓦M行放大、縮小、移動位置、多角度觀看等常規(guī)操作，還可以查看三維實景模型系統(tǒng)中的建筑物的參數(shù)（長，寬，高，面積，體積），最大誤差值為百分之一。三維實景建模系統(tǒng)還能夠進行場地規(guī)劃、建筑面積測量以及土方量計算，另外可與實景模型施工進度管理分析軟件對接可以對工程項目的施工進度分析，以及實景模型虛擬空間運維管理等。

作業(yè)流程如圖2所示。

圖2：作業(yè)流程圖

2.3 使用設(shè)備

大疆M300無人機（圖3）搭載自研五鏡頭傾斜相機、大疆精靈4RTK（圖4）、徠卡RTC360三維激光掃描儀（圖5）。自研的五鏡頭傾斜相機主要用于無人機進行小范圍的大比例尺傾斜航空影像數(shù)據(jù)采集，技術(shù)參數(shù)見表1，具有DJI SkyPort連接卡口，高度兼容大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機；支持大疆智圖建模軟件，可實現(xiàn)高精度免像控；下視實時圖傳顯示，地面站實時數(shù)據(jù)顯示等優(yōu)點。

圖3：M300無人機

圖4：大疆精靈4RTK

圖5：徠卡RTC360三維激光掃描儀

表1：自研五鏡頭傾斜相機參數(shù)

2.4 作業(yè)內(nèi)容

（1）用大疆M300無人機搭載自研五鏡頭傾斜相機對整個測區(qū)進行自動航線掃描，用精靈4 RTK無人機對主要街道建筑進行帶狀掃描拍攝提高建模精度，所有無人機航片和POS數(shù)據(jù)進行聯(lián)合空三解算，如圖6所示。然后通過檢查點檢查空三精度是否符合GB/T 23236-2009《數(shù)字攝影測量空中三角測量規(guī)范》，最后采用Context Capture Center軟件對測區(qū)進行重建，得到三維實景模型如圖7所示。

圖6：空三解算

圖7：重建三維模型

（2）同時對主要街道建筑物，采用三維激光掃描儀進行掃描獲取點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)可對測區(qū)房屋附屬物（陽臺、飄樓）等建筑附屬物進行測量，判斷出陽臺、飄樓的尺寸，大大減少外野調(diào)繪工作，為高價值區(qū)域拆遷賠償工作提供更為精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

雷達掃描街道如圖8所示，局部街道點云效果如圖9所示。

圖8：雷達掃描街道

圖9：局部街道點云效果

（3）利用EPS軟件打開立體測圖模式，將“現(xiàn)狀測區(qū)三維模型”和“2017年戶籍CAD圖紙”進行立體平面數(shù)據(jù)聯(lián)動，人機交互快速定位分析，檢查統(tǒng)計各建筑物的變化信息。部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2：部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格

3 方案特點

本方案延伸拓展了無人機傾斜攝影技術(shù)和三維激光雷達掃描技術(shù)在棚戶區(qū)改造過程中測算建筑面積工作中的應(yīng)用，通過利用其真實性、準確性和高效性等優(yōu)勢精準、敏捷地完成了測區(qū)建筑物面積的測算統(tǒng)計。

（1）項目采用無人機傾斜攝影航空影像和三維激光雷達點云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，重建棚改區(qū)域改造前的立體三維模型和主要街道三維光點云數(shù)據(jù)，并對棚改區(qū)域的建筑物現(xiàn)狀模型和歷史戶籍CAD圖紙信息進行比對，以三維激光點云數(shù)據(jù)作為輔助，通過建筑物現(xiàn)狀模型與歷史戶籍圖紙對比分析調(diào)研，高效、準確地識別出建筑面積的變化并統(tǒng)計登記在冊，方便政府等職能部門對棚改區(qū)的建筑物情況分析評估，同時為后期棚改項目中拆遷賠償工作和工程預算工作提供數(shù)據(jù)支持。

（2）采用無人機航空攝影測量和激光雷達掃描的方法，測算棚改區(qū)域的建筑物面積，相比于傳統(tǒng)人工實地測量既提高數(shù)據(jù)真實性也提高工作效率，同時數(shù)據(jù)也具備可追溯性。

（3）多源數(shù)據(jù)融合和單純的無人機實景模型相比。無人機實景模型往往會在靠近地面部分模型效果不如三維激光掃描儀采集的三維點云數(shù)據(jù)。無人機受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，房屋間距過密地面部分會采集不到影響模型質(zhì)量產(chǎn)生破洞拉花現(xiàn)象。采用三維激光掃描儀采集地面部分的數(shù)據(jù)作為無人機數(shù)據(jù)的補充，不僅能提供精準的地面數(shù)據(jù)，使項目整體測算精度上提升了一個高度。

4 結(jié)束語

對于棚戶區(qū)大量亂搭違建的不良現(xiàn)象，需對歷史房屋戶籍資料進行調(diào)研、統(tǒng)計、分析，這將為項目過程中拆遷賠償?shù)拿娣e測算帶來巨大的工作量。隨著航空攝影技術(shù)和三維激光雷達掃描技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，越來越多地應(yīng)用于城市規(guī)劃建筑領(lǐng)域當中，利用航空攝影技術(shù)和三維激光雷達掃描技術(shù)對棚改區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，非接觸的對棚改區(qū)的建筑物面積進行測算和統(tǒng)計分析，在滿足精度要求的同時，數(shù)據(jù)具備可追溯性、大大降低常規(guī)測量的工作量。此創(chuàng)新方案改變了傳統(tǒng)測繪工作的習慣，在提高工作效率的同時數(shù)據(jù)更具真實性、可追溯性。本方案延申了航空攝影測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，由于航空攝影測量技術(shù)可準確高效地重現(xiàn)建筑的三維模型，再結(jié)合歷史戶籍資料的分析調(diào)研，便可為政府等職能部門進行拆遷復核提供更多可靠的數(shù)據(jù)保障，為拆遷征地的經(jīng)費提供更合理的預算依據(jù)。同時也維護了政府和人民的正常利益，無論是經(jīng)濟效益或是社會效益，成果都非常顯著。